صحبت درباره تقویت کننده برق COFDM PA
به عنوان یک تامین کننده حرفه ای فرستنده های ویدئویی و داده های بی سیم, بسیاری از مشتریان در مورد تقویت کننده های قدرت برای افزایش پوشش فرستنده های بی سیم و افزایش قدرت سیگنال بی سیم سؤال می کنند. می توان گفت تقویت کننده قدرت مانعی است که بسیاری از مهندسان RF نمی توانند از آن اجتناب کنند. عملکرد, طبقه بندی, شاخص عملکرد, ترکیب مدار, فناوری بهبود بهره وری, روند توسعه... آیا همه چیزهایی را که باید در مورد تقویت کننده های قدرت RF بدانید می دانید؟? بیا درس آرایش کن!
دو مشخصات کلیدی برای RF PA: قدرت و خطی بودن
در تقویت کننده های قدرت RF, راندمان برق (PAE) به عنوان نسبت اختلاف بین توان سیگنال خروجی و توان سیگنال ورودی به توان مصرفی منبع تغذیه DC تعریف می شود., یعنی:
PAE = (PRFOUT - PRFIN)/PDC = (PRFOUT - PRFIN)/(VDC*IDC)
عملکرد تقویت کننده قدرت RF RF PA
تقویت کننده توان فرکانس رادیویی RF PA بخش اصلی سیستم انتقال است, و اهمیت آن بدیهی است. در مدار پیش مرحله فرستنده, قدرت سیگنال RF تولید شده توسط مدار نوسان ساز تعدیل کننده بسیار کم است, و باید یک سری مرحله تقویت-بافر را طی کند, مرحله تقویت میانی, و مرحله تقویت نهایی توان برای به دست آوردن توان RF کافی قبل از تابش به آنتن. به منظور به دست آوردن توان خروجی فرکانس رادیویی به اندازه کافی بزرگ, باید از تقویت کننده توان فرکانس رادیویی استفاده شود. تقویت کننده های قدرت اغلب گران ترین هستند, تشنه قدرت, و کم کارآمدترین اجزای یک نصب یا پایانه ثابت.
پس از اینکه مدولاتور سیگنال فرکانس رادیویی را تولید کرد, سیگنال مدوله شده با فرکانس رادیویی توسط RFPA به توان کافی تقویت می شود, از طریق شبکه تطبیق عبور کرد, و سپس توسط آنتن ساطع می شود.
وظیفه تقویت کننده تقویت محتوای ورودی و خروجی آن است. ورودی و خروجی, که ما به آن می گوییم "سیگنال ها," اغلب به صورت ولتاژ یا توان بیان می شوند. برای یک "سیستم" مانند تقویت کننده, آن "سهم" این است که سطح معینی از آنچه در آن است را بالا ببریم "جذب می کند" و "تولید" به دنیای خارج. این "سهم بهبود" هست "معنی" از وجود تقویت کننده. اگر آمپلی فایر بتواند عملکرد خوبی داشته باشد, سپس می تواند سهم بیشتری داشته باشد, که خود را منعکس می کند "ارزش". اگر مشکلات خاصی در ابتدایی وجود دارد "طراحی مکانیزم" تقویت کننده, سپس پس از شروع به کار یا کار برای مدتی, نه تنها قادر به ارائه هیچ کدام نخواهد بود "سهم", اما برخی غیر منتظره "شوک ها" ممکن است رخ دهد. "شوک" برای دنیای بیرون یا خود تقویت کننده فاجعه آمیز است.
طبقه بندی تقویت کننده قدرت RF RF PA
با توجه به شرایط کاری مختلف, تقویت کننده های قدرت به شرح زیر طبقه بندی می شوند:
فرکانس کاری تقویت کننده های قدرت RF بسیار بالا است, اما باند فرکانس نسبتاً باریک است. تقویت کننده های توان RF معمولا از شبکه های انتخاب فرکانس به عنوان مدارهای بار استفاده می کنند. تقویت کننده های قدرت RF را می توان به سه نوع حالت کار تقسیم کرد: آ (آ), B (B), و سی (C) با توجه به زاویه هدایت جریان. زاویه هدایت جریان تقویت کننده کلاس A 360 درجه است, که برای تقویت سیگنال های کم توان مناسب است. زاویه هدایت جریان تقویت کننده کلاس B برابر با 180 درجه است, و زاویه هدایت جریان تقویت کننده کلاس C کمتر از 180 درجه است. هر دو کلاس B و کلاس C برای شرایط کاری با قدرت بالا مناسب هستند, و توان خروجی و راندمان شرایط کاری کلاس C در بین سه شرایط کاری بالاترین است. اکثر تقویت کننده های قدرت RF در کلاس C کار می کنند, اما شکل موج فعلی تقویت کننده های کلاس C بیش از حد تحریف شده است, بنابراین فقط می توان از آنها برای تقویت توان با استفاده از یک مدار تنظیم شده به عنوان رزونانس بار استفاده کرد. با توجه به قابلیت فیلتر کردن حلقه تنظیم, جریان و ولتاژ حلقه همچنان به شکل موج سینوسی با اعوجاج کمی نزدیک است.
علاوه بر حالت های کاری فوق که بر اساس زاویه هدایت جریان طبقه بندی می شوند, کلاس D نیز وجود دارد (D) تقویت کننده ها و کلاس E (E) تقویت کننده هایی که باعث می شوند دستگاه های الکترونیکی در حالت سوئیچینگ کار کنند. راندمان تقویت کننده های کلاس D بیشتر از تقویت کننده های کلاس C است.
شاخص عملکرد تقویت کننده توان فرکانس رادیویی RF PA
شاخص های فنی اصلی تقویت کننده توان فرکانس رادیویی RF PA توان خروجی و راندمان است. چگونگی بهبود توان خروجی و راندمان هسته اصلی هدف طراحی تقویت کننده توان فرکانس رادیویی است. معمولا در تقویت کننده قدرت RF, فرکانس اصلی یا یک هارمونیک خاص را می توان توسط مدار رزونانس LC انتخاب کرد تا تقویت بدون اعوجاج را تحقق بخشد.. به طور کلی, احتمالاً شاخص های زیر در ارزیابی تقویت کننده ها وجود دارد:
- کسب کردن. این نسبت بین ورودی و خروجی است و نشان دهنده سهم تقویت کننده است. یک تقویت کننده خوب این است که به همان اندازه کمک کند "تولید" تا حد امکان در آن "طیفی از قابلیت های خودش".
-فرکانس کاری. این نشان دهنده ظرفیت حمل تقویت کننده برای سیگنال های فرکانس مختلف است.
- پهنای باند کار. این تعیین می کند که تقویت کننده چقدر می تواند برد داشته باشد "کمک کند". برای تقویت کننده باند باریک, حتی اگر طراحی خودش مشکلی نداشته باشد, سهم آن ممکن است محدود باشد.
-ثبات. هر ترانزیستوری پتانسیل دارد "مناطق بی ثبات" این "طرح" تقویت کننده باید این ناپایداری های بالقوه را از بین ببرد. دو نوع پایداری تقویت کننده وجود دارد, بالقوه ناپایدار و کاملاً پایدار است. اولی ممکن است تحت شرایط و محیط های خاص ناپایدار به نظر برسد, در حالی که دومی می تواند در هر شرایطی ثبات را تضمین کند. مسئله ثبات مهم است زیرا بی ثباتی به معنای بی ثباتی است "نوسان", هنگامی که تقویت کننده نه تنها خود را تحت تأثیر قرار می دهد, بلکه عوامل ناپایدار را نیز خروجی می دهد.
- حداکثر توان خروجی. این شاخص تعیین می کند "ظرفیت" تقویت کننده. برای "سیستم های بزرگ", امید است که آنها بتوانند توان بیشتری را به قیمت سود معین تولید کنند.
-بهره وری. آمپلی فایرها باید مقدار مشخصی مصرف کنند "انرژی" و همچنین به مقدار معینی از "سهم". نسبت سهم آن به مصرف راندمان تقویت کننده است. تقویت کننده خوب تقویت کننده ای است که سهم بیشتری داشته باشد و مصرف کمتری داشته باشد.
- خطی. خطی بودن پاسخ صحیح تقویت کننده به تعداد زیادی ورودی را مشخص می کند. بدتر شدن خطی بودن به این معنی است که تقویت کننده "تحریف می کند" یا "تحریف می کند" ورودی در حضور ورودی اضافی. یک آمپلی فایر خوب نباید این را نشان دهد "دمدمی مزاج" طبیعت.
ترکیب مدار تقویت کننده قدرت RF RF PA
تقویت کننده ها انواع مختلفی دارند. ساده شده, مدار تقویت کننده را می توان از قسمت های زیر تشکیل داد: ترانزیستورها, مدارهای بایاس و تثبیت, و مدارهای تطبیق ورودی و خروجی.
1. ترانزیستور
انواع مختلفی از ترانزیستورها وجود دارد, از جمله ترانزیستورهایی با ساختارهای مختلف که اختراع شده اند. اساسا, یک ترانزیستور به عنوان یک منبع جریان یا ولتاژ کنترل شده با تبدیل انرژی یک جریان مستقیم خالی به "مفید" تولید. انرژی DC از دنیای خارج به دست می آید, و ترانزیستور آن را مصرف کرده و به اجزای مفید تبدیل می کند. یک ترانزیستور, ما می توانیم آن را به عنوان "یک واحد". ناهمسان "توانایی ها" از ترانزیستورهای مختلف, مانند توانایی آنها در مقاومت در برابر قدرت متفاوت است, که به دلیل توانایی آنها در بدست آوردن انرژی DC نیز می باشد; مثلا, سرعت پاسخگویی آنها متفاوت است, که تعیین می کند که چقدر گسترده و بالا می تواند در باند فرکانس کار کند; مثلا, امپدانس های روبروی درگاه های ورودی و خروجی متفاوت است, و قابلیت های پاسخ خارجی متفاوت است, که دشواری تطبیق آن را مشخص می کند.
2. مدار بایاس و تثبیت کننده
مدارهای بایاس و تثبیت دو مدار متفاوت هستند, اما به این دلیل که تشخیص آنها اغلب دشوار است و اهداف طراحی همگرا هستند, آنها را می توان با هم مورد بحث قرار داد.
عملکرد ترانزیستور باید تحت شرایط بایاس خاصی باشد, که آن را نقطه عملیاتی استاتیک می نامیم. این پایه ترانزیستور و خودش است "تثبیت موقعیت". هر ترانزیستور موقعیت خاصی برای خود دارد, و موقعیت های مختلف حالت کار خود را تعیین می کند, و همچنین عملکردهای متفاوتی در موقعیت های مختلف وجود دارد. برخی از نقاط موقعیت یابی نوسانات کوچکی دارند, که برای کارهای سیگنال کوچک مناسب هستند; برخی از نقاط موقعیت یابی نوسانات زیادی دارند, که برای خروجی با توان بالا مناسب هستند; برخی از نقاط موقعیت یابی تقاضای کمتری دارند, انتشار خالص, و برای کارهای کم صدا مناسب هستند; برخی از نقاط موقعیت یابی, ترانزیستورها همیشه بین اشباع و قطع معلق هستند, در حالت سوئیچینگ. یک نقطه بایاس مناسب مبنای عملکرد عادی است.
مدار تثبیت باید قبل از مدار تطبیق باشد, زیرا ترانزیستور به مدار تثبیت کننده به عنوان بخشی از خودش نیاز دارد, و سپس با دنیای خارج تماس می گیرد. از نظر دنیای بیرون, ترانزیستور با مدار تثبیت کننده a است "کاملا جدید" ترانزیستور. قطعی می کند "فداکاری ها" برای به دست آوردن ثبات. مکانیسم هایی که مدار را تثبیت می کنند، ترانزیستورها را به آرامی و به طور پیوسته کار می کنند.
3. مدار تطبیق ورودی و خروجی
هدف از مدار تطبیق انتخاب یک حالت پذیرفته شده است. برای آن دسته از ترانزیستورهایی که می خواهند سود بیشتری ارائه دهند, رویکرد پذیرش و خروجی همه جانبه است. این بدان معنی است که از طریق رابط مدار تطبیق, ارتباط بین ترانزیستورهای مختلف نرم تر است. برای انواع مختلف تقویت کننده ها, مدار تطبیق تنها روش طراحی نیست "به طور کامل پذیرفته شده است". برخی از لولههای کوچک با DC کوچک و پایه کم عمق، تمایل بیشتری به انجام مقدار مشخصی مسدود کردن هنگام دریافت دارند تا عملکرد نویز بهتری داشته باشند.. با این حال, مسدود کردن را نمی توان بیش از حد انجام داد, در غیر این صورت بر سهم آن تأثیر می گذارد. برای برخی از لوله های قدرت غول پیکر, هنگام خروجی باید محتاط باشید, زیرا ناپایدارتر هستند, و در عین حال, مقدار معینی از رزرو به آنها کمک می کند تا بیشتر تلاش کنند "تحریف نشده" انرژی.
تحقق پایداری تقویت کننده قدرت RF RF PA
هر ترانزیستوری به طور بالقوه ناپایدار است. مدارهای تثبیت کننده خوب را می توان با ترانزیستورها ترکیب کرد تا a را تشکیل دهد "کار مداوم" حالت. اجرای مدارهای تثبیت کننده را می توان به دو نوع تقسیم کرد: باند باریک و پهن باند.
مدار تثبیت کننده باند باریک مقدار معینی از بهره را مصرف می کند. این مدار پایدار با افزودن مدارهای مصرف معین و مدارهای انتخابی محقق می شود. این مدار به ترانزیستور اجازه می دهد تا فقط یک محدوده فرکانس کوچک را به اشتراک بگذارد. یکی دیگر از تثبیتهای پهنای باند، ارائه بازخورد منفی است. این مدار می تواند در محدوده وسیعی کار کند.
منبع بی ثباتی بازخورد مثبت است, و ایده پایداری باند باریک برای محدود کردن برخی از بازخوردهای مثبت است. البته, این نیز مشارکت را سرکوب می کند. بازخورد منفی, به خوبی انجام شد, دارای مزایای لذت بخش اضافی بسیاری است. مثلا, بازخورد منفی ممکن است از تطبیق ترانزیستورها جلوگیری کند, نه نیاز به تطبیق برای ارتباط خوب با دنیای خارج. علاوه بر این, معرفی بازخورد منفی عملکرد خطی ترانزیستور را بهبود می بخشد.
فناوری بهبود کارایی تقویت کننده قدرت RF RF PA
راندمان ترانزیستور یک محدودیت نظری دارد. این محدودیت با انتخاب نقطه سوگیری متفاوت است (نقطه عملیاتی استاتیک). علاوه بر این, اگر مدار محیطی به خوبی طراحی نشده باشد, کارایی آن به شدت کاهش خواهد یافت. در حال حاضر, راه های زیادی برای مهندسان برای بهبود کارایی وجود ندارد. در اینجا فقط دو نوع وجود دارد: فناوری ردیابی پاکت و فناوری Doherty.
ماهیت فناوری ردیابی پاکت این است که ورودی را به دو نوع جدا کنیم: فاز و پاکت, و سپس آنها را به طور جداگانه توسط مدارهای تقویت کننده مختلف تقویت کنید. به این ترتیب, دو تقویت کننده می توانند بر روی قسمت های مربوطه خود تمرکز کنند, و همکاری دو تقویت کننده می تواند به هدف استفاده از راندمان بالاتر دست یابد.
ماهیت فناوری دوهرتی این است: با استفاده از دو ترانزیستور از یک نوع, فقط یکی کار می کند زمانی که ورودی کوچک است, و در حالت با راندمان بالا کار می کند. اگر ورودی افزایش یابد, هر دو ترانزیستور به طور همزمان کار می کنند. مبنای تحقق این روش این است که دو ترانزیستور باید بطور ضمنی با یکدیگر همکاری کنند. وضعیت کار یک ترانزیستور مستقیماً بازده کاری ترانزیستور دیگر را تعیین می کند.
چالش های تست برای RF PA
تقویت کننده های قدرت اجزای بسیار مهمی در سیستم های ارتباطی بی سیم هستند, اما آنها ذاتا غیر خطی هستند, باعث ایجاد پدیده های رشد طیفی می شود که با کانال های مجاور تداخل می کند, و ممکن است استانداردهای انتشار خارج از باند قانونی را نقض کند. این ویژگی حتی می تواند باعث اعوجاج درون باند شود, که نرخ خطای بیت را افزایش می دهد (BER) و سرعت انتقال داده های سیستم ارتباطی را کاهش می دهد.
زیر نسبت توان اوج به متوسط (PAPR), فرمت جدید انتقال OFDM قدرت پیک پراکنده بیشتری خواهد داشت, تقسیم بندی PA را دشوار می کند. این امر انطباق ماسک طیفی را کاهش می دهد و EVM و BER را در سراسر شکل موج افزایش می دهد. برای حل این مشکل, مهندسان طراح معمولاً عمداً قدرت عملیاتی PA را کاهش می دهند. متاسفانه, این یک رویکرد بسیار ناکارآمد است, از آنجایی که PA کاهش می یابد 10% قدرت عملیاتی خود را از دست می دهد 90% از توان DC آن.
اکثر RF PA های امروزی از حالت های متعدد پشتیبانی می کنند, محدوده فرکانس, و حالت های مدولاسیون, در دسترس قرار دادن موارد آزمایشی بیشتر. هزاران مورد آزمایشی غیر معمول نیستند. استفاده از فناوری های نوین مانند کاهش ضریب تاج (CFR), پیش اعوجاج دیجیتال (DPD) و ردیابی پاکت نامه (ET) می تواند به بهینه سازی عملکرد PA و بهره وری انرژی کمک کند, اما این فناوریها فقط آزمایش را پیچیدهتر میکنند و زمان آزمایش را بسیار طولانی میکنند. زمان طراحی و تست. افزایش پهنای باند RF PA منجر به افزایش پنج برابری در پهنای باند مورد نیاز برای اندازه گیری DPD می شود. (احتمالاً بیش از حد 1 گیگاهرتز), افزایش بیشتر پیچیدگی تست.
با توجه به روند, به منظور افزایش کارایی, اجزای RF PA و ماژول های جلویی (FEM) بیشتر ادغام خواهد شد, و یک FEM منفرد از طیف وسیع تری از باندهای فرکانسی و حالت های مدولاسیون پشتیبانی می کند. ادغام یک منبع تغذیه یا مدولاتور ET در FEM می تواند به طور موثر فضای مورد نیاز کلی در داخل دستگاه تلفن همراه را کاهش دهد.. افزایش تعداد اسلات های فیلتر/دوبلکسر برای پشتیبانی از محدوده فرکانس کاری بزرگتر، پیچیدگی دستگاه های تلفن همراه و تعداد آیتم های آزمایشی را افزایش می دهد..
تقویت کننده قدرت ماژول RF تلفن همراه (PA) وضعیت بازار
حوزه تقویت کننده های برق تلفن همراه در حال حاضر جزئی است که نمی توان آن را در تلفن های همراه ادغام کرد. عملکرد تلفن همراه, رد پا, کیفیت تماس, قدرت تلفن همراه, و عمر باتری همه توسط تقویت کننده قدرت تعیین می شود.
نحوه ادغام این تقویت کننده های توان باندهای فرکانسی و استانداردهای مختلف موضوع مهمی است که صنعت مورد مطالعه قرار گرفته است.. در حال حاضر, دو راه حل وجود دارد: یکی معماری تلفیقی است, که تقویت کننده های قدرت RF PA فرکانس های مختلف را ادغام می کند; معماری دیگر ادغام در طول زنجیره سیگنال است, به این معنا که, PA و دوبلکسر یکپارچه شده اند. هر دو طرح مزایا و معایبی دارند, و برای گوشی های مختلف مناسب هستند. معماری همگرا, ادغام بالای PA, مزیت اندازه آشکار برای بیش از 3 باندهای فرکانسی, و مزیت هزینه آشکار برای 5-7 باندهای فرکانسی. نقطه ضعف این است که اگرچه PA یکپارچه است, دوبلکسر هنوز کاملاً پیچیده است, و هنگامی که PA یکپارچه می شود از دست دادن سوئیچینگ وجود دارد, و عملکرد تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. برای معماری دوم, عملکرد بهتر است. ادغام تقویت کننده قدرت و دوبلکسر می تواند ویژگی های جریان را بهبود بخشد, که می تواند ده ها میلی آمپر جریان را ذخیره کند, که معادل افزایش زمان مکالمه توسط 15%. از این رو, خودی های صنعت پیشنهاد می کنند که زمانی که بیش از 6 باندهای فرکانسی (به استثنای 2G, اشاره به 3G و 4G), یک معماری همگرا پذیرفته شده است, و زمانی که کمتر از 4 از باندهای فرکانسی استفاده می شود, PAD, راه حلی که PA و duplexer را یکپارچه می کند, استفاده می شود.