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Tecnología de sustrato IC
Optimización del famoso amplificador de potencia Doherty
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Optimización del famoso amplificador de potencia Doherty

Optimización del famoso amplificador de potencia Doherty

2021-09-15
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Author:Frank

El amplificador de potencia Doherty (PA), inventado hace casi 100 años, se utiliza para mejorar la eficiencia energética de un gran número de transmisores de radio, y hay muchas maneras de fabricar este amplificador de potencia. En primer lugar, este documento ofrece una visión general de la linealización y la mejora de la eficiencia, y se centra en los desafíos conexos y en algunas soluciones basadas en el contexto. Por último, se presenta un estudio de caso para ilustrar el proceso de diseño alternativo y examinar a fondo el diseño y la mejor manera de lograr un compromiso entre el rendimiento y el costo.

Técnica de linealización
The four main technical performance parameters in Este transmit (Tx) radio frequency front end (RFFE) are efficiency, Potencia de salida, Linealidad y ancho de banda. Estos tres últimos parámetros suelen depender de los requisitos del sistema, Normas de comunicación, por ejemplo. The first parameter (ie energy efficiency) is the distinguishing factor. Si todos los demás parámetros de rendimiento son los mismos, Cuanto mayor sea la eficiencia frontal, mejor..

Los dispositivos utilizados en rffe tienen características no lineales y no pueden utilizarse directamente como módulos ideales. La linealidad de TX rffe se puede mejorar mediante la técnica de linealización. Esto a menudo aumenta el costo original de TX rffe, y usted obtiene mejoras en eficiencia, linealidad y potencia de salida. Se han publicado muchos métodos de mejora lineal, que se remontan al menos a las patentes Feed - forward 1 y feedback 2. Se puede considerar que la fecha de aplicación de la predistoración no lineal es similar a la fecha de invención de la tecnología de compresión y extensión 3. Estos programas pueden clasificarse de acuerdo con su modo de funcionamiento (véanse la figura 1 y el cuadro 1). Uno de los criterios de distinción de la tecnología de linealización es si El esquema predice o extrae señales inútiles. Y si la corrección se realiza antes o después de la salida. La clasificación ayuda a entender las características generales y a determinar las mejores prácticas.

Feed - forward es un ejemplo de un esquema de corrección post - medición, feedback es un esquema de corrección pre - medición y pre - distorsión es un esquema de corrección pre - predicción. Las soluciones de predicción dependen de la generación de señales no deseadas, lo que puede ser problemático para la predistoración digital (DPD) en sistemas con bandas de frecuencia más anchas y menor potencia. Por otra parte, la solución de predicción no necesita distorsión y puede eliminar completamente la distorsión.

Lo que falta en estos ejemplos es toda la categoría de técnicas de linealización que utilizan la corrección post - predicción. En los últimos 100 años, se ha realizado una profunda investigación y registro de esta serie tecnológica. Los transmisores outphase 5, develope 6 y Doherty 7 y los transmisores híbridos introducidos por Choi 8, Andersson 9 y Chung 10 son ejemplos de estas tecnologías, pero se utilizan principalmente para mejorar la eficiencia y no como técnicas de linealización. Desarrollo del mercado. Las formas más puras de envoltura y esquema heterogéneo utilizan amplificación y suma de ruta respectivamente para construir sus señales a partir de componentes no lineales generados eficientemente. El amplificador Doherty incluye una ruta de referencia llamada "ruta principal" o "portador" y una ruta de eficiencia llamada "ruta pico" o "ruta secundaria". Un análisis matemático más completo del diseño de Doherty está más allá del alcance de este artículo y se puede encontrar en muchos documentos. Para más detalles, consulte el artículo 11 de Cripps.

DOHERTY implementation
It can be considered that the most common and usually the fastest starting point for Doherty amplifier design is the "zeroth embodiment" (see Figure 2), Incluye:

Entrada fija de RF al divisor de potencia final.

Los amplificadores principales y auxiliares tienen diferentes compensaciones (por ejemplo, utilizando las clases AB y c).

El sintetizador Doherty consiste en una línea de transmisión de cuarto de longitud de onda.

En la mayoría de las aplicaciones, esta estructura no proporciona suficiente ganancia de potencia (al menos no de una sola etapa final) y cascadas de etapas adicionales de ganancia delante del divisor de potencia. Las deficiencias de esta encarnación más común incluyen:

Después de que el diseño se congela, no hay manera de compensar la ganancia y la fase en ningún dominio.

Debido a la fase de sesgo, hay un equilibrio entre la eficiencia y la Potencia de salida. En realidad es un sesgo de clase C (circuito analógico de bucle abierto) para hacer esto.

* The efficiency improvement is limited to a single level. La cascada de varios niveles limitará la mejora del rendimiento, Especialmente en alta frecuencia, la ganancia disminuye.
Desde otro punto de vista, El motor Doherty es una solución de bucle abierto que tiene varios mecanismos funcionales importantes derivados del punto de sesgo del Transistor. Once other variables (such as phase offset, Diseño del separador, Etc..) are defined, Sólo se proporcionan uno o dos puntos de operación que dependen de diversos ajustes clave.

Desafío

Placa de circuito

Una forma de mejorar la eficiencia de Doherty es la modulación de la carga. El motor de accionamiento detrás de esta modulación es la diferencia entre la corriente de salida de dos o más sintetizadores de entrada de amplificadores. Dado que el motor sólo puede aproximarse a la operación Doherty, el desafío para los diseñadores es hacer que el motor funcione de la mejor manera posible, pero con una relación calidad - precio adecuada. Los posibles obstáculos al rendimiento de Doherty incluyen: 1) la amplitud y la coincidencia de fase de la señal que entra en el nodo fusionado, especialmente la sobrefrecuencia (véase la figura 3A). La desviación de los valores ideales reduce la eficiencia y la Potencia de salida. Este último puede ser más destructivo, ya que estos dispositivos no están destinados a ser aislados, y la mejora de la eficiencia depende de la interacción a través del sintetizador. Idealmente, la trayectoria auxiliar del motor Doherty tiene características de línea rota o palo de Hockey (ver figura 3b). El fracaso en alcanzar los valores ideales suele ser la razón principal por la que no se alcanzan los puntos de silla de montar de eficiencia bien conocidos. Debido a que esta característica tiende a cambiar de un valor ideal a una respuesta lineal, el rendimiento del amplificador Doherty será gradualmente similar al del amplificador de equilibrio ortogonal (aunque con sintetizador no aislado), especialmente su rendimiento de eficiencia. El "sesgo diferencial" común de los amplificadores principales y auxiliares de las clases AB y c obligará a reducir la Potencia de salida y la eficiencia de ambos amplificadores (véase la figura 3c). Como explica Cripps 11, la continuidad de los amplificadores cuasi lineales de clase a A C (que, en teoría, funcionarán a través de la tensión sinusoidal de su fuente de alimentación) cambiará las características de potencia máxima y eficiencia correspondientes. Al mismo tiempo, si se utilizan desviaciones para generar motores diferenciales, como las implementaciones tradicionales de Doherty, existe un equilibrio entre la Potencia de salida y la eficiencia. Mientras tanto, el sesgo diferencial aumenta el efecto Doherty, pero reduce el rendimiento realizable.


Los desafíos de los amplificadores Doherty son la amplitud del sintetizador y el emparejamiento de fase (a), la respuesta de corriente del amplificador Auxiliar (b) y la compensación de eficiencia de potencia (c).

Variations and improvements
The following variations of the basic design may be more suitable for certain applications. En la práctica tradicional, Ofrece a los diseñadores opciones de rendimiento y flexibilidad.

Múltiples etapas de ganancia en el divisor Doherty y sintetizador

Dolty n Road

Separador deliberadamente disperso

Separador programable

Modulación offset

Modulación de potencia, es decir, la adición de una tercera técnica de mejora de frecuencia a las dos técnicas de mejora de frecuencia utilizadas por Doherty

Formación de sobres

Doherty digital

Además de las diferentes arquitecturas disponibles para los diseñadores, se pueden ajustar en tres puntos del ciclo de vida del producto. Durante la fase de diseño, los parámetros de diseño pueden modificarse y transmitirse al proceso de producción como valores fijos (por ejemplo, introduciendo parámetros de diseño de separador). En el proceso de producción, los parámetros se pueden modificar o ajustar de acuerdo con los datos medidos, y luego se pueden congelar o fijar mediante programación. Por ejemplo, un voltaje de sesgo nominal para generar una corriente de sesgo objetivo en un dispositivo. Una vez desplegado el dispositivo en el sitio, los parámetros se pueden actualizar continuamente o en un bucle abierto o cerrado en un momento dado. Las soluciones de bucle abierto dependen de características totalmente previsibles, mientras que las soluciones de bucle cerrado pueden requerir mediciones y controles incorporados. Un ejemplo es el circuito de compensación de temperatura. Estas opciones del ciclo de vida del producto ofrecen una variedad de soluciones que no son "óptimas". Los diseñadores saben que la capacidad de producción y suministro después del diseño es tan importante como los desafíos y compensaciones de diseño encontrados en la fase de diseño.

El antónimo de implementación de nivel cero es Doherty digital (ver figura 4). Esta estructura se caracteriza por la separación de entrada en el dominio digital antes de la conversión digital a analógica. Mediante la aplicación del procesamiento digital de señales a las señales de las dos rutas del amplificador, se puede obtener un rendimiento incomparable de un conjunto de hardware RF. En comparación con la implementación estándar de Doherty, la implementación digital puede aumentar la Potencia de salida en un 60%, la eficiencia en un 20% y el ancho de banda en un 50%, sin disminuir la linealidad predicha pre - corregida 12.


Medición Proceso de diseño asistido
Para optimizar Diseño Doherty, Se propone un entorno de simulación estrechamente relacionado con el diseño para comprender las tendencias y la sensibilidad.. A través de esta simulación, Puede cubrir rápidamente la mayor parte del proceso de desarrollo. La entrada del primer paso puede incluir datos o modelos de tracción de carga para el dispositivo, Investigación teórica sobre el circuito combinado y la respuesta de la red correspondiente, Y un Comité de evaluación que contenga datos de medición u otros datos empíricos. Basado en este punto de partida, the design process can be supplemented with measurement aided design (see Figure 5).
Para Doherty digital, El punto de partida de este enfoque es un amplificador Doherty con dos puertos de entrada, Red de emparejamiento de entrada y salida, Equipo activo, Red de sesgo, and combiners (see Figure 6). Midiendo el prototipo Doherty de un dispositivo de doble entrada, Una comprensión más profunda de las limitaciones de rendimiento, Equilibrio, Repetibilidad esperada en el entorno de producción. La clave de la configuración de prueba son dos rutas de señal, Las señales pueden variar entre sí. Además de la precisión de la aplicación, Estabilidad de estas señales y desplazamiento repetible de amplitud y fase, También es útil aplicar la configuración no lineal a al menos una ruta de señal.