Como melhorar a eficiência do amplificador de potência RF?

As leis básicas da termodinâmica revelam que nenhum equipamento eletrônico pode atingir 100% de eficiência - embora as fontes de alimentação de comutação sejam relativamente próximas (até 98%). Infelizmente, qualquer dispositivo que gere potência de RF é atualmente incapaz de atingir ou perto do desempenho ideal, porque existem muitos defeitos no processo de conversão de energia DC em energia de produto de RF, incluindo a perda causada por toda a transmissão do caminho do sinal, para a perda de tempo de frequência operacional e a perda característica inerente do dispositivo. Como resultado, um artigo no MIT Technology Review, sem cerimônia, comentou sobre o amplificador de potência de RF: "É um hardware muito ineficiente."

Não surpreendentemente, todos os aspectos dos fabricantes de produtos de energia de RF, de semicondutores a amplificadores e transmissores, bem como universidades e o Departamento de Defesa, gastam muito tempo e recursos financeiros todos os anos para melhorar a eficiência dos dispositivos de energia de RF. Há boas razões para isso: mesmo um ligeiro aumento na eficiência pode estender o tempo de trabalho de produtos alimentados por bateria e reduzir o consumo anual de energia das estações base sem fio. A Figura 1 mostra a proporção da parte de RF para o consumo geral de energia da estação base.

Figura 1: Adicionando as partes relevantes de vários produtos de radiofrequência no consumo de energia da estação base, o resultado final será bastante grande.

Felizmente, após anos de esforços contínuos para melhorar a eficiência de RF, essas condições estão mudando gradualmente. Algumas dessas tarefas estão no nível do dispositivo, enquanto outras usam algumas tecnologias inovadoras, como rastreamento de envelope, esquemas de redução de fator de crista / pré-distorção digital e o uso de amplificadores que são mais avançados do que os níveis comuns de classe AB.

Uma grande mudança no design do amplificador é a arquitetura Doherty, que se tornou o padrão para amplificadores de estação base em 5 anos. Desde que o Dr. Doherty, dos Laboratórios Bell (que então se tornou parte da Westinghouse Electric), inventou essa arquitetura em 1936, ela permaneceu silenciosa na maior parte do tempo e só foi usada em algumas aplicações.

A pesquisa de Doherty criou uma nova estrutura de amplificador que pode fornecer eficiência agregada de potência extremamente alta quando o sinal de entrada tem uma relação pico-média (PAR) muito alta. Na verdade, se projetados adequadamente, a eficiência dos amplificadores Doherty pode ser aumentada em 11% a 14% em comparação com os amplificadores AB paralelos padrão.

É claro que, por muitos anos após 1936, apenas alguns tipos de sinais possuem essas características, como AM e FM, que usam esquemas de modulação em sistemas de comunicação. Atualmente, quase todos os sistemas sem fio geram sinais de alto PAR, de WCDMA a CDMA2000 para qualquer sistema que use multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM), como WiMAX, LTE e, mais recentemente, Wi-Fi.

Figura 2: um amplificador Doherty típico

O clássico amplificador Doherty (Figura 2), que pode ser classificado como uma arquitetura de modulação de carga, é na verdade composto de dois amplificadores: um amplificador portador polarizado para operar no modo classe AB e um amplificador de pico polarizado no modo classe C. Um divisor de potência divide o sinal de entrada igualmente para cada amplificador com uma diferença de fase de 90 °. Após a amplificação, o sinal é re-sintetizado por meio do acoplador de potência. Os dois amplificadores operam ao mesmo tempo quando o sinal de entrada está em seu pico e cada um se comporta como uma impedância de carga para maximizar a potência de saída.

No entanto, quando a potência do sinal de entrada cai, o amplificador de pico Classe C é desligado e apenas o amplificador de portadora Classe AB ainda funciona. Em níveis de potência mais baixos, o amplificador de portadora Classe AB se comporta como uma impedância de carga modulada para melhorar a eficiência e o ganho. Com a vitalidade renovada da arquitetura, o design do amplificador Doherty fez um progresso significativo em iterações rápidas e alcançou grande sucesso.

Claro, nenhuma arquitetura é perfeita. A linearidade e a potência de saída do amplificador Doherty são ligeiramente piores do que o amplificador AB de classe dupla. Isso nos traz outro circuito importante que se tornou uma escolha indispensável no ambiente de comunicação atual: a tecnologia de linearização analógica e digital. A mais amplamente usada dessa tecnologia é a pré-distorção digital (DPD), às vezes combinada com a redução do fator de crista (CFR). Tanto o DPD quanto o CFR podem reduzir bastante a distorção de Doherty, e o design cuidadoso do dispositivo e do amplificador pode minimizar a perda de linearidade. No entanto, eles não são estritamente definidos para uso em amplificadores Doherty, e seus efeitos são bastante óbvios quando usados em outras estruturas de amplificador.

1. Melhore a linearidade

A tecnologia de modulação digital moderna requer que a linearidade do amplificador seja suficientemente alta, caso contrário, ocorrerá distorção de intermodulação e a qualidade do sinal será reduzida. Infelizmente, quando os amplificadores têm o melhor desempenho, todos estão próximos de seus níveis de saturação. Mais tarde, eles se tornam não lineares, a saída de potência de RF cai conforme a potência de entrada aumenta e distorções significativas começam a aparecer. Essa distorção pode causar diafonia entre canais ou serviços adjacentes. Como resultado, os projetistas geralmente reduzem a potência de saída de RF para uma "zona segura" para garantir a linearidade. Quando eles fazem isso, vários transistores de RF são necessários para atingir uma determinada potência de saída de RF, o que aumentará o consumo de corrente e resultará em menor vida útil da bateria ou maiores custos operacionais em estações base.

O DPD efetivamente introduz "anti-distorção" na entrada do amplificador, eliminando a não linearidade do amplificador. Como resultado, o amplificador não precisa voltar ao ponto de operação ideal e, portanto, não são necessários mais dispositivos de potência de RF. Conforme os amplificadores se tornam mais eficientes, os benefícios são custos de resfriamento reduzidos e todo o consumo de energia importante. Quando o CFR está funcionando, a distorção é verificada continuamente, reduzindo a proporção de pico para média do sinal de entrada. Este método reduz o valor de pico do sinal para que o sinal não cause corte ou distorção ao passar pelo amplificador. Quando DPD e CFR são usados juntos, um ganho maior pode ser alcançado.
2. Método de amplificador de potência fora de fase

Outra tecnologia é uma tecnologia patenteada inventada e mantida por Henri Chireix há quase 80 anos. Geralmente é chamado de "outphasing" (amplificador de potência outphasing, um membro da família de tecnologia de modulação de carga). Atualmente é usado pela Fujitsu, NXP, etc. Para melhorar a eficiência do amplificador. Ele combina dois amplificadores de potência de RF não lineares, que são acionados por sinais de diferentes fases. Como a fase é controlada, quando o sinal de saída é acoplado, o uso de amplificadores de potência de RF Classe B pode obter ganhos de eficiência. Técnicas de projeto cuidadosas, especialmente selecionando a reatância apropriada, podem otimizar o sistema para uma amplitude de saída específica, o que trará o dobro do aumento de eficiência (pelo menos em teoria).

A Fujitsu anunciou no ano passado que adotou o método de outphasing em um determinado amplificador de potência, integrando um circuito de acoplamento de potência compacto e de baixa perda e com um circuito de compensação de correção de erro de fase baseado em DSP, que é 65% do tempo de transmissão comum para amplificadores existentes. , O tempo de transmissão do amplificador pode exceder 95%. Para testar o design, a saída de pico deste amplificador de potência pode chegar a 100 watts; a eficiência elétrica média é aumentada de 50% para 70%.

O sinal de entrada é dividido em dois sinais com amplitude e mudanças de fase constantes. A amplitude é definida de acordo com o dispositivo de potência de RF e o circuito de acoplamento de potência reconstrói a forma de onda do sinal de origem. Anteriormente, quando o sinal da fonte era reconstruído, a perda de precisão do acoplamento precisava determinar a diferença de fase, o que impedia a comercialização dessa tecnologia. O acoplador usado pela Fujitsu tem um caminho de sinal mais curto, o que reduz a perda e aumenta a largura de banda.

3. Desenvolvimento promissor da NXP

Uma variante do mecanismo Outphasing sem efeito de modulação de carga é chamada de Linear Amplifier of Nonlinear Concept (LINC), que usa um acoplador separado e estágio de amplificador para conduzir à saturação e pode efetivamente melhorar a linearidade e a eficiência de pico. No entanto, a eficiência dos amplificadores LINC é relativamente baixa, porque cada amplificador opera com uma potência constante, mesmo em níveis de saída de RF baixos. A Chireix corrigiu isso combinando a defasagem com um acoplador não separado e modulação de carga para aumentar a eficiência média. A NXP Semiconductors fez mais um aprimoramento, usando outphasing para controlar dois amplificadores de RF de modo de comutação para adaptá-los aos sinais de fator de crista alto. A empresa está combinando a tecnologia de outphasing Chireix com amplificadores de classe E de comutação GaN HEMT (Figura 3).

Figura 3: Diagrama de blocos simplificado do amplificador de potência fora de fase Chireix

A nova tecnologia de driver desenvolvida e patenteada pela NXP permite que o amplificador obtenha alta eficiência em uma largura de banda de aproximadamente 25%, controlando a relação de fase. Isso levou a uma nova arquitetura que combina amplificadores Classe E e modulação de carga para manter a alta eficiência dos amplificadores quando saem da saturação, o que permite que eles se adaptem a várias formas de onda complexas. A NXP forneceu um projeto de referência para o amplificador de potência RF classe E baseado em dispositivos GaN e anexou informações técnicas relacionadas à Chireix.

4. Rastreamento de envelope

Outra tecnologia importante à qual os projetistas de amplificadores prestam atenção é o rastreamento de envelope. Nesta tecnologia, a tensão aplicada ao amplificador de potência é ajustada continuamente para garantir que ele funcione na região de pico para maximizar a potência. Em comparação com a tensão fixa fornecida pelo conversor DC-DC em um design típico de amplificador de potência, a fonte de alimentação de rastreamento de envelope modula a fonte de alimentação conectada ao amplificador com uma forma de onda de alta largura de banda e baixo ruído, que é sincronizada com o envelope instantâneo sinal.

O uso da tecnologia de rastreamento de envelope em dispositivos de energia RF CMOS tem um apelo considerável. Nujira vem desenvolvendo essa tecnologia há muitos anos. Eles mostraram que esta tecnologia pode superar as deficiências causadas por não linearidades em aplicações de amplificadores RF CMOS. Os amplificadores de potência CMOS foram criticados como uma escolha ruim para a atual tecnologia de modulação de alto PAR devido à sua linearidade pobre inerente, que exige que eles retrocedam para reduzir a distorção. Quando os amplificadores CMOS são operados em níveis de potência de RF mais altos, ocorrerão cortes e distorções.

No entanto, Nujira combina sua tecnologia de linearização ISOGAIN patenteada em sua tecnologia de rastreamento de envelope proprietária para eliminar problemas de linearidade sem usar DPD. Os equipamentos que utilizam essa tecnologia atingiram a meta de alta eficiência e alcançaram o mesmo desempenho do GaAs em outros aspectos. Um grande benefício de todas as pesquisas sobre amplificadores CMOS é que os dispositivos CMOS são onipresentes em toda a indústria eletrônica, com suporte de muitas fundições, portanto, são relativamente baratos. Por ser baseado em silício, também é possível integrar diretamente os circuitos de controle e polarização no chip amplificador de potência.

5. Outros métodos completamente diferentes

Outra tecnologia de amplificador foi defendida pela Eta Devices, uma empresa desmembrada do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, e foi co-fundada por dois professores de engenharia elétrica Joel Dawson e David Perreault e um ex-pesquisador de amplificadores da Ericsson e Huawei. Sua tecnologia Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) foi desenvolvida pelo MIT, que foi investido em conjunto pelo co-fundador da ADI Ray Stata e sua empresa de capital de risco Stata Venture Partners.

O principal alvo da empresa são os mercados emergentes, incluindo até 640,000 estações-base de geradores a diesel que custam US $ 15 bilhões por ano em termos de combustível, seguido pelo mercado de smartphones. Em fevereiro deste ano, a Eta Devices demonstrou seu equipamento Eta5 na seção Advanced LTE do Mobile Communications World Congress em Barcelona, Espanha. O canal de transmissão do equipamento ultrapassa 80 MHz.

Eta Devices corajosamente declarou que sua tecnologia ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) deve reduzir os custos de energia da estação base em 50%. Ele também afirma que pode dobrar a duração da bateria dos smartphones. A premissa é que o transistor de potência RF do amplificador consome o consumo de energia simultaneamente no modo standby e no modo de transmissão, e a única forma de melhorar a eficiência é reduzir a potência standby ao nível mais baixo possível.
Alternar entre o modo de espera de baixo consumo de energia e alta potência de saída causará distorção. Os sistemas existentes precisam manter um alto nível de energia em espera para detectar continuamente essa condição, ao custo de um alto consumo de energia. A abordagem da Eta Devices é selecionar a tensão que consome o menor consumo de energia através do transistor por amostragem de até 20 milhões de vezes por segundo.

Outro problema é que a empresa explicou que o LTE Advanced e os requisitos de largura de banda de 100 MHz criarão uma grande demanda por amplificadores de potência de RF. O rastreamento de envelope sozinho não pode se adaptar a esta situação, porque não pode suportar canais maiores que 40Mhz. De acordo com a empresa, o ETAdvanced suporta canais de até 160 MHz, portanto, pode atender tanto LTE-Advanced quanto 802.11ac Wi-Fi. As estações base usando sua tecnologia podem ser muito pequenas, e a empresa afirma ter desenvolvido o primeiro transmissor LTE com uma eficiência média superior a 70%.

6. Resumo

Se você descrever completamente o trabalho atual feito para melhorar a eficiência da energia de RF, poderá escrever um grande livro. Esses conteúdos não se limitam ao escopo discutido neste artigo, mas também incluem o uso de diferentes tipos de amplificadores e tecnologias de suporte. A combinação dessas tecnologias pode produzir resultados significativos. Não importa quanto progresso seja feito, é certo que enquanto a demanda por taxas de dados mais altas ainda existir, a busca por maior eficiência continuará.