Подложка ИС - оптимизировать знаменитый усилитель мощности Doherty

Усилитель мощности (УМ) Доэрти, изобретенный почти 100 лет назад, используется для повышения энергоэффективности большого числа радиопередатчиков, и существует множество способов создания такого усилителя мощности. В этой статье сначала рассказывается о линеаризации и повышении эффективности, освещаются связанные с этим проблемы и некоторые из многочисленных решений на их основе. Наконец, на конкретном примере показан процесс альтернативного проектирования, а также подробно обсуждается конструкция и способы достижения оптимального компромисса между производительностью и стоимостью. 

Технология линеаризации

Четырьмя основными техническими параметрами передающего (Tx) радиочастотного фронтального устройства (RFFE) являются эффективность, выходная мощность, линейность и полоса пропускания. Последние три параметра обычно зависят от системных требований, например, от стандартов связи. Первый параметр (т.е. энергоэффективность) является отличительным фактором. Если все остальные параметры одинаковы, то более высокий КПД фронтального устройства лучше.

Устройства, используемые в RFFE, имеют нелинейные характеристики и не могут быть использованы непосредственно в качестве идеальных модулей. С помощью технологии линеаризации линейность Tx RFFE может быть улучшена. При этом обычно увеличивается первоначальная стоимость Tx RFFE, а в результате улучшаются эффективность, линейность и выходная мощность. Было опубликовано множество методов улучшения линейности, по крайней мере, начиная с патентов feedforward 1 и feedback 2. Можно считать, что дата применения нелинейного предыскажения аналогична дате изобретения технологии сжатия и расширения3. Эти программы можно классифицировать по принципу их работы (см. рис. 1 и табл. 1)4. Одним из отличительных критериев технологии линеаризации является: прогнозирует ли схема бесполезные сигналы или выделяет их, а также осуществляет ли коррекцию до или после вывода. Классификация полезна для понимания общих характеристик и определения оптимального способа применения.

Фидфорвард является примером схемы коррекции после измерения, обратная связь - схемы коррекции до измерения, а предисторсия - схемы прогнозирующей коррекции. Предиктивные решения основаны на генерации нежелательных сигналов, что может быть весьма проблематично для цифрового предисторшна (DPD) в системах с более широкой полосой частот и меньшей мощностью. С другой стороны, предиктивные решения не требуют искажений и могут полностью исключить их.

В этих примерах отсутствует целая категория методов линеаризации, в которых используется прогнозирующая посткоррекция. За последние 100 лет были проведены глубокие исследования и записи по этой серии технологий. Примерами таких технологий являются передатчики Outphasing 5, Envelope 6 и Doherty 7, а также гибридные передатчики, представленные Choi 8, Andersson 9 и Chung 10, но эти технологии используются в основном для повышения эффективности, а не как технологии линеаризации. Развитие рынка. В чистом виде огибающая и внефазная схемы используют усиление и суммирование трактов соответственно для построения своих сигналов из нелинейных составляющих, которые эффективно генерируются. Усилитель Доэрти содержит опорный тракт, называемый "основным" или "несущим", и тракт эффективности, называемый "пиковым" или "вторичным". Более полный математический анализ конструкции усилителя Доэрти выходит за рамки данной статьи и представлен во многих документах. За подробной информацией читатель может обратиться к статье Криппса 11.

Реализация Doherty

Можно считать, что наиболее распространенной и, как правило, наиболее быстрой отправной точкой для проектирования усилителя Доэрти является "нулевое воплощение" (см. рис. 2), включающее:

* Фиксированный ВЧ-вход на конечный делитель мощности.

* Основной и вспомогательный усилители имеют разное смещение (например, используются класс AB и класс C).

* Синтезатор Доэрти образован линией передачи четвертьволновой длины.

* В большинстве приложений такая архитектура не обеспечивает достаточного усиления мощности (по крайней мере, от одного оконечного каскада), поэтому перед делителем мощности каскадируются дополнительные каскады усиления. К недостаткам этой наиболее распространенной реализации относятся:

* После того как конструкция заморожена, нет возможности компенсировать усиление и фазу в любой области.

* Из-за наличия каскада смещения возникает компромисс между эффективностью и выходной мощностью. Фактически для решения этой задачи используется смещение C-уровня (аналоговая цепь с открытым контуром).

* Повышение эффективности ограничивается одним уровнем. Ситуация с многоступенчатым каскадом ограничивает повышение эффективности, особенно уменьшается коэффициент усиления на высоких частотах.

С другой точки зрения, схема Doherty представляет собой решение с открытым контуром, в котором несколько важных функциональных механизмов зависят от точки смещения транзистора. После определения других переменных (таких как фазовое смещение, конструкция делителя и т.д.) остаются только одна или две рабочие точки, от которых зависит множество ключевых регулировок.

вызов

Одним из способов повышения КПД по методу Доэрти является модуляция нагрузки. Движущей силой этой модуляции является разница между выходными токами двух или более усилителей в синтезаторе. Поскольку движущая сила может лишь приближенно описывать работу по методу Доэрти, перед разработчиками стоит задача сделать так, чтобы движущая сила максимально приближалась к этой работе, но при этом имела приемлемое соотношение цена/производительность. Потенциальные препятствия для работы в режиме Doherty включают: 1) согласование амплитуды и фазы сигнала, поступающего на узел слияния, особенно завышенная частота (см. рис. 3а). Отклонение от идеального значения приводит к снижению КПД и выходной мощности. Последняя может быть более разрушительной, поскольку устройства намеренно не изолированы, а увеличение КПД зависит от взаимодействия, достигаемого с помощью синтезатора. 2) В идеальном случае вспомогательный тракт двигателя Доэрти имеет вид полилинии или клюшки (см. рис. 3б). Невозможность достичь идеального значения часто является основной причиной недостижения известной седловой точки КПД. Поскольку эта характеристика имеет тенденцию к переходу от идеального значения к линейной характеристике, поведение усилителя Доэрти постепенно станет похожим на поведение квадратурного балансного усилителя (правда, с неизолированным синтезатором), особенно его КПД. 3) Часто используемое "дифференциальное смещение" основного и вспомогательного усилителей в классах AB и C приведет к снижению выходной мощности и КПД обоих усилителей (см. рис. 3в). Как объясняет Криппс 11, преемственность квазилинейных усилителей класса А и класса С (теоретически эти два каскада будут работать за счет синусоидального напряжения через их источники) приведет к изменению соответствующих характеристик максимальной выходной мощности и КПД. В то же время, если для формирования дифференциального двигателя используется смещение (как в традиционной реализации Doherty), то имеет место компромисс между выходной мощностью и КПД. В то же время дифференциальное смещение увеличит эффект Доэрти, но снизит достижимую производительность.

Задачи усилителя Доэрти: согласование амплитуды и фазы синтезатора (а), токовая характеристика вспомогательного усилителя (б), компромисс между мощностью и эффективностью (в).

Вариации и усовершенствования

Приведенные ниже варианты базовой конструкции могут оказаться более подходящими для определенных приложений. В традиционной реализации она предоставляет разработчикам возможности по производительности и гибкости.

* В разветвителе и синтезаторе Доэрти имеется несколько каскадов усиления.

* N-дорожка Доэрти

* Преднамеренно разнесенный разделитель

* Программируемый разделитель

* Модуляция биаса

* Модуляция мощности, т.е. добавление третьего метода повышения частоты к двум методам повышения частоты, используемым в Doherty

* Формирование огибающей

* Цифровой Доэрти

Помимо того, что разработчикам доступны различные архитектуры, корректировка параметров может осуществляться в трех точках жизненного цикла изделия. На этапе проектирования параметры конструкции могут быть изменены и переданы в производственный процесс в виде фиксированных значений (например, параметры конструкции входного сепаратора). В производственном процессе параметры обычно можно изменить или отрегулировать на основе измеренных данных, а затем заморозить или зафиксировать их с помощью программирования. Примером может служить номинальное напряжение смещения, используемое для создания целевого тока смещения в приборе. После развертывания оборудования в полевых условиях параметры могут обновляться непрерывно или в определенное время по принципу открытого или закрытого контура. Решения с разомкнутым контуром полагаются на полностью предсказуемые характеристики, в то время как решения с замкнутым контуром могут потребовать встроенных средств измерения и контроля. Примером может служить схема температурной компенсации. Эти варианты жизненного цикла изделия обеспечивают множество решений, которые не являются "лучшими". Разработчики знают, что возможности производства и поставок, которые последуют за разработкой, не менее важны, чем проблемы и компромиссы, возникшие на этапе проектирования.

Противоположностью реализации нулевого уровня является цифровая архитектура Doherty (см. рис. 4). Особенностью этой архитектуры является выполнение входного разделения в цифровой области перед цифро-аналоговым преобразованием. Благодаря возможности цифровой обработки сигналов, подаваемых на два усилительных тракта, можно получить непревзойденные характеристики радиочастотной аппаратуры. По сравнению со стандартной реализацией Doherty выходная мощность цифровой реализации может быть увеличена на 60%, КПД - на 20%, а полоса пропускания - на 50% без снижения линейности предварительной коррекции12.

Процесс проектирования с помощью измерений

Для оптимизации конструкции Doherty рекомендуется создать среду моделирования, хорошо связанную с конструкцией, чтобы понять тенденции и чувствительность. С помощью такого моделирования можно быстро охватить значительную часть процесса разработки. Исходными данными для первого этапа могут быть данные о нагрузочной тяге или модель устройства, теоретическое исследование комбинированной схемы и отклика согласующей сети, а также оценочная плата, содержащая данные измерений или другие эмпирические данные. Исходя из этой исходной точки, процесс проектирования может быть дополнен разработкой с помощью измерений (см. рис. 5).

Для цифровых усилителей Doherty исходной точкой такого подхода является усилитель Doherty, содержащий два входных порта, входную и выходную согласующие сети, активные устройства, сети смещения и сумматоры (см. рис. 6). Измерения прототипа двухвходового усилителя Doherty позволяют получить более глубокое представление об ограничениях производительности, компромиссах и воспроизводимости, ожидаемых в производственных условиях. Решающее значение в тестовой конфигурации имеют два сигнальных тракта, сигналы которых могут изменяться по отношению друг к другу. Помимо применения точных, стабильных и воспроизводимых амплитудных и фазовых смещений к этим сигналам, очень полезно иметь возможность применить нелинейное формирование хотя бы к одному из сигнальных трактов.