IC 기판 - 장기간 구축된 Doherty 전력 증폭기 최적화

도르티 파워앰프 (PA) 는 거의 100년 전에 발명되어 대량의 무선 송신기의 에너지 효율을 높이는 데 사용되었으며, 이러한 파워앰프를 만드는 방법은 매우 많다.본고는 먼저 선형화와 효율 향상을 개괄하고 관련 도전과 배경에 기반한 많은 해결 방안 중 일부를 강조한다.마지막으로, 사례 분석을 통해 대체 설계 프로세스를 설명하고 이 설계와 성능과 비용 사이에서 최적의 절충을 실현하는 방법에 대해 심도 있게 논의했다.

선형화 기술 송신 무선 주파수 프런트엔드 (RFFE) 의 네 가지 주요 기술 성능 매개변수는 효율, 출력, 선형도 및 대역폭입니다.마지막 세 매개변수는 일반적으로 통신 표준과 같은 시스템 요구 사항에 따라 다릅니다.첫 번째 매개변수 (즉, 에너지 효율성) 는 차이점입니다.다른 모든 성능 매개 변수가 동일하면 프런트엔드 효율이 향상됩니다.

RFFE에 사용되는 부품은 비선형 특성을 가지고 있어 이상적인 모듈로 직접 사용할 수 없습니다.선형화 기술을 통해 Tx RFFE의 선형도를 높일 수 있다.이는 일반적으로 Tx RFFE의 원래 비용을 증가시키고 효율성, 선형 및 출력을 향상시킵니다.이미 많은 선형 개선 방법이 발표되었는데, 적어도 피드백 1과 피드백 2 특허로 거슬러 올라갈 수 있다.비선형 예실진의 응용 날짜는 압축 및 확장 기술 3의 발명 날짜와 비슷하다고 볼 수 있다.이러한 프로그램은 작업 방식에 따라 분류할 수 있습니다 (그림 1 및 표 1 참조). 4.선형화 기술의 판별 기준 중 하나는 이 방안이 무용신호를 예측할지 추출할지, 출력하기 전인지 후인지 교정하는 것이다.분류는 일반적인 특성을 이해하고 최적의 적용 방법을 결정하는 데 도움이 됩니다.

피드백은 측정 후 교정 방안의 예이고, 피드백은 측정 전 교정 방안이며, 예실진은 예측 전 교정 방안이다.예측 솔루션은 원하지 않는 신호 생성에 의존하므로 넓은 대역과 낮은 전력을 가진 시스템의 DPD(디지털 디버깅)가 매우 번거로울 수 있습니다.다른 한편으로 예측 솔루션은 왜곡이 필요 없으며 완전히 왜곡을 없앨 수 있습니다.

이러한 예에서 빠진 것은 예측 후 보정을 사용한 전체 선형 기술 범주입니다.지난 100년 동안 사람들은 이 기술 시리즈에 대해 깊이 있는 연구와 기록을 진행했다.Choi 8, Andersson 9 및 Chung 10에 도입된 출력 5, 포락선 6 및 Doherty 7 송신기 및 혼합 송신기가 이러한 기술의 예이지만 이러한 기술은 주로 선형화 기술보다는 효율성을 높이는 데 사용됩니다.시장 개발.포락선과 이상 시나리오의 가장 순수한 형태는 각각 증폭과 경로 합계를 사용하여 효과적으로 생성된 비선형 컴포넌트에서 신호를 구성합니다.도르티 앰프에는 마스터 경로 또는 캐리어라고 하는 참조 경로와 피크 경로 또는 보조 경로라고 하는 효율 경로가 있습니다.Doherty가 설계한 더 포괄적인 수학 분석은 이 문서의 범위를 넘어 많은 파일에 있습니다.자세한 내용은 Cripps의 제 11 조를 참조하십시오.

도르티 구현은 도르티 증폭기 설계가 가장 흔하고 일반적으로 가장 빠른 출발점은"제로 번째 구현 사례"(그림 2 참조) 라고 생각할 수 있습니다.

* 최종 전력 분배기에 무선 주파수를 고정합니다.

* 마스터 앰프와 보조 앰프의 오프셋이 다릅니다 (예: AB 및 C 클래스 사용).

* 도르티 합성기는 4분의 1 파장의 전송선으로 이루어져 있다.

* 대부분의 애플리케이션에서 이러한 아키텍처는 전력 분배기 앞에 추가 성능 계층이 연결되어 있는 충분한 전력 이득을 제공하지 못합니다.이러한 가장 일반적인 구현 방식의 단점은 다음과 같습니다.

* 설계가 동결된 후에는 도메인에서 이득과 위상을 보상할 방법이 없습니다.

* 오프셋 단계로 인해 효율성과 출력의 균형을 맞춥니다.이 작업은 실제로 C 레벨 오프셋 (개폐 루프 아날로그 회로) 으로 수행됩니다.

* 효율성 향상은 한 단계로 제한됩니다.다단계 캐스케이드의 경우 성능 향상을 제한하는데, 특히 더 높은 주파수에서는 이득이 떨어진다. 또 다른 관점에서 볼 때 돌티 엔진은 트랜지스터의 편향점에서 파생되는 몇 가지 중요한 기능 메커니즘을 가진 개폐 루프 솔루션이다.위상 오프셋, 분류기 설계 등과 같은 다른 변수가 정의되면 중요한 조정에 따라 하나 또는 두 개의 운영 포인트만 제공됩니다.

도전

Doherty의 효율성 향상 방법 중 하나는 로드 변조입니다.이러한 변조 뒤에 있는 구동 엔진은 두 개 이상의 증폭기에서 합성기까지의 출력 전류 사이의 차이이다.엔진은 도르티 조작과 비슷할 수밖에 없기 때문에, 설계사가 직면한 도전은 엔진이 가능한 한 좋은 방식으로 이런 조작에 접근하도록 하는 것이지만, 여전히 적당한 성가비를 가지고 있다.Doherty 성능의 잠재적 장애는 1) 병합 노드에 들어오는 신호의 진폭과 위상 일치, 특히 오버클럭킹을 포함합니다 (그림 3a 참조).이상에서 벗어나면 효율과 출력이 떨어진다.후자는 더 파괴적일 수 있다. 왜냐하면 설비가 의도적으로 격리되지 않기 때문이다. 효율의 향상은 합성기를 통한 상호작용에 달려 있다.2) 이상적인 상황에서 도르티 엔진의 보조 경로는 접선 또는 하키 스틱의 특성을 나타낸다 (그림 3b 참조).이상치에 도달하지 못한 것은 일반적으로 잘 알려진 효율 안장에 도달하지 못한 주요 원인이다.이러한 특성이 이상치에서 선형 응답으로 바뀌는 경향이 있기 때문에, 도르티 증폭기의 행동은 점차 직교 평형 증폭기의 행동과 비슷해질 것이다 (비격리 합성기를 사용했음에도 불구하고), 특히 그 효율 성능은 더욱 그렇다.3) AB 클래스와 C 클래스의 주 증폭기와 보조 증폭기가 자주 사용하는'차분 편향'은 두 증폭기의 출력과 효율을 떨어뜨린다 (그림 3c 참조).Cripps 11에서 설명한 바와 같이, Class A에서 Class Class 준선형 증폭기의 연속성 (이론적으로 이 두 레벨은 그 소스의 정현 전압을 통해 작동한다) 은 상응하는 최대 출력과 효율 특성을 변화시킬 것이다.이와 동시에 편치를 사용하여 차분발동기 (예를 들면 전통적인 도르티실현에서) 를 산생한다면 출력과 효률 사이에 저울질이 존재한다.이와 동시에 차분편치는 도르티효과를 증가시키지만 실현가능한 성능을 떨어뜨린다.

도르티 증폭기의 도전: 합성기 폭과 위상 일치 (a), 보조 증폭기 전류 응답 (b), 출력 효율 저울 (c).

다음과 같은 기본 설계의 변경 사항 및 개선은 일부 응용프로그램에 더 적합할 수 있습니다.기존 구현에서는 설계자에게 성능과 유연성 옵션을 제공합니다.

* 도르티 분리기 및 합성기에 여러 가지 이득 레벨이 있음

*N 루돌티

* 의도적으로 분산된 분리기

* 프로그래밍 가능한 스플리터

* 편향 변조

* 전력 변조, 즉 Doherty에서 사용하는 두 가지 주파수 향상 기술에 세 번째 주파수 향상 방법을 추가합니다.

* 봉투 모양

*Digital Doherty

설계자는 서로 다른 아키텍처를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 제품 수명 주기의 세 가지 지점에서 조정할 수 있습니다.설계 단계에서는 설계 매개변수를 수정하여 생산 프로세스에 고정 값으로 전달할 수 있습니다 (예: 스플리터 설계 매개변수 입력).생산 과정에서 일반적으로 측정 데이터에 따라 매개변수를 수정하거나 조정한 다음 프로그래밍을 통해 매개변수를 동결하거나 고정할 수 있습니다.하나의 예는 부품에서 목표 편향 전류를 생성하는 데 사용되는 공칭 편향 전압이다.장치가 현장에 배치되면 스위치를 켜거나 닫는 방식으로 연속하거나 특정 시간에 업데이트할 수 있습니다.오픈 루프 솔루션은 완전히 예측 가능한 특성에 의존하며, 닫힌 루프 솔루션은 내장된 측정 및 제어가 필요할 수 있습니다.하나의 예는 온도 보상 회로이다.이러한 제품 수명 주기 옵션은 "최고" 가 아닌 다양한 솔루션을 제공합니다.디자이너는 디자인 이후의 생산과 공급 능력이 디자인 단계에서 부딪히는 디자인 도전과 저울질만큼 중요하다는 것을 알고 있다.

0단계 실현의 반대쪽은 디지털 도르티 (그림 4 참조) 이다.이 아키텍처의 특징은 디지털 변환 전에 디지털 도메인에서 입력 분리를 수행하는 것입니다.두 증폭기 경로에 가해지는 신호에 디지털 신호 처리를 적용함으로써 RF 하드웨어 세트에서 비교할 수 없는 성능을 얻을 수 있습니다.표준 Doherty 구현에 비해 디지털 구현의 출력은 60%, 효율은 20%, 대역폭은 50% 향상되며 예측 사전 보정 선형 12는 감소하지 않습니다.

측정 보조 설계 프로세스는 도르티 설계를 최적화하기 위해 추세와 감도를 이해하기 위해 설계와 밀접한 관련이 있는 시뮬레이션 환경을 구축하는 것이 좋습니다.이런 시뮬레이션을 통해 개발 과정의 많은 부분을 신속하게 커버할 수 있다.첫 번째 단계의 입력에는 장치의 로드 견인 데이터 또는 모델, 조합 회로에 대한 이론적 연구 및 일치하는 네트워크에 대한 응답, 측정 데이터 또는 기타 경험 데이터가 포함된 평가 보드가 포함될 수 있습니다.이 시작점을 기반으로 설계 과정은 측정 보조 설계로 보완할 수 있습니다 (그림 5 참조). 디지털 도르티의 경우 이 방법의 시작점은 두 개의 입력 포트, 입력 및 출력 일치 네트워크, 소스 부품, 편향 네트워크 및 그룹으로 구성된 도르티 증폭기입니다 (그림 6 참조).이중 입력 장치의 프로토타입 Doherty를 측정하여 생산 환경에서 예상되는 성능 제한, 저울질, 반복성을 더욱 깊이 이해할 수 있습니다.테스트 구성에 중요한 것은 신호가 서로 변경될 수 있는 두 가지 신호 경로입니다.정확하고 안정적이며 반복 가능한 폭과 위상 오프셋을 이러한 신호에 적용하는 것 외에도 적어도 하나의 신호 경로에 비선형 성형을 적용할 수 있는 것도 매우 유익합니다.