Talking About COFDM PA Power Amplifier

COFDM PA Power Amplifier

As a professional supplier of wireless video and data transceivers, many customers will ask about power amplifiers to increase the coverage of wireless transmitters and enhance wireless signal strength. The power amplifier can be said to be a hurdle that many RF engineers cannot avoid. ฟังก์ชัน, classification, ดัชนีประสิทธิภาพ, circuit composition, efficiency improvement technology, development trend... Do you know everything you need to know about RF power amplifiers? Come make up lessons!

Two key specifications for RF PAs: power and linearity

In RF power amplifiers, ประสิทธิภาพพลังงาน (PAE) is defined as the ratio of the difference between the output signal power and the input signal power to the power consumption of the DC power supply, กล่าวคือ:
PAE = (PRFOUT - PRFIN)/PDC = (PRFOUT - PRFIN)/(VDC*IDC)

Functions of RF Power Amplifier RF PA

Radio Frequency Power Amplifier RF PA is the main part of the transmission system, and its importance is self-evident. In the pre-stage circuit of the transmitter, the RF signal power generated by the modulating oscillator circuit is very small, and it needs to go through a series of amplification-buffer stage, intermediate amplification stage, and final power amplification stage to obtain sufficient RF power before feeding radiate to the antenna. In order to obtain a sufficiently large radio frequency output power, a radio frequency power amplifier must be used. Power amplifiers are often the most expensive, most power-hungry, and least efficient components of a stationary installation or terminal.
After the modulator generates the radio frequency signal, สัญญาณมอดูเลตความถี่วิทยุจะถูกขยายให้มีกำลังเพียงพอโดย RFPA, ผ่านเครือข่ายที่ตรงกัน, แล้วปล่อยออกมาจากเสาอากาศ.
ฟังก์ชั่นของแอมพลิฟายเออร์คือการขยายเนื้อหาอินพุตและเอาต์พุต. อินพุตและเอาต์พุต, ที่เราเรียกว่า "สัญญาณ," มักแสดงเป็นแรงดันไฟฟ้าหรือกำลัง. สำหรับก "ระบบ" เช่นเครื่องขยายเสียง, ของมัน "ผลงาน" คือการยกระดับอะไรขึ้นมาบ้าง "ดูดซับ" และ "เอาท์พุต" สู่โลกภายนอก. นี้ "ผลงานการปรับปรุง" คือ "ความหมาย" ของการมีอยู่ของเครื่องขยายเสียง. หากเครื่องขยายเสียงสามารถมีสมรรถนะที่ดีได้, ก็สามารถมีส่วนร่วมได้มากขึ้น, ซึ่งสะท้อนถึงตัวของมันเอง "ค่า". หากมีปัญหาบางประการในเบื้องต้น "การออกแบบกลไก" ของเครื่องขยายเสียง, แล้วหลังจากเริ่มทำงานหรือทำงานมาระยะหนึ่งแล้ว, ไม่เพียงแต่จะไม่สามารถจัดหาให้ได้เท่านั้น "ผลงาน", แต่บางอย่างก็ไม่คาดคิด "กระแทก" อาจเกิดขึ้นได้. "ช็อก" is disastrous to the outside world or to the amplifier itself.

Classification of RF Power Amplifier RF PA

According to different working conditions, power amplifiers are classified as follows:
The operating frequency of RF power amplifiers is very high, but the frequency band is relatively narrow. RF power amplifiers generally use frequency selection networks as load circuits. RF power amplifiers can be divided into three types of working states: ก (ก), B (B), and C (C) according to the current conduction angle. The conduction angle of the Class A amplifier current is 360°, which is suitable for small signal low power amplification. The conduction angle of the Class B amplifier current is equal to 180°, and the conduction angle of the Class C amplifier current is less than 180°. ทั้งคลาส B และคลาส C เหมาะสำหรับสภาพการทำงานที่มีกำลังสูง, และกำลังขับและประสิทธิภาพของสภาพการทำงานของคลาส C นั้นสูงที่สุดในบรรดาเงื่อนไขการทำงานทั้งสามประการ. เพาเวอร์แอมป์ RF ส่วนใหญ่ทำงานในคลาส C, แต่รูปคลื่นปัจจุบันของแอมพลิฟายเออร์คลาส C บิดเบี้ยวเกินไป, ดังนั้นจึงสามารถใช้เพื่อขยายกำลังโดยใช้วงจรที่ปรับแล้วเป็นโหลดเรโซแนนซ์เท่านั้น. เนื่องจากความสามารถในการกรองของลูปจูน, กระแสลูปและแรงดันไฟฟ้ายังคงใกล้เคียงกับรูปคลื่นไซน์ซอยด์โดยมีการบิดเบือนเล็กน้อย.
นอกเหนือจากสถานะการทำงานข้างต้นแล้วยังจำแนกตามมุมการนำกระแสไฟฟ้าอีกด้วย, นอกจากนี้ยังมีคลาส D (D) เครื่องขยายเสียงและคลาส E (E) แอมพลิฟายเออร์ที่ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานในสถานะสวิตชิ่ง. ประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์คลาส D สูงกว่าแอมพลิฟายเออร์คลาส C.

ดัชนีประสิทธิภาพของเครื่องขยายกำลังความถี่วิทยุ RF PA

ตัวชี้วัดทางเทคนิคหลักของเครื่องขยายกำลังความถี่วิทยุ RF PA คือกำลังขับและประสิทธิภาพ. วิธีการปรับปรุงกำลังขับและประสิทธิภาพเป็นหัวใจสำคัญของเป้าหมายการออกแบบของเครื่องขยายสัญญาณเสียงความถี่วิทยุ. โดยปกติแล้วจะอยู่ในเครื่องขยายกำลัง RF, ความถี่พื้นฐานหรือฮาร์โมนิคบางตัวสามารถเลือกได้โดยวงจรเรโซแนนซ์ LC เพื่อให้ได้การขยายเสียงที่ไม่ผิดเพี้ยน. พูด, พูดแบบทั่วไป, พูดทั่วๆไป, อาจมีตัวบ่งชี้ต่อไปนี้ในการประเมินเครื่องขยายเสียง:
- ได้รับ. นี่คืออัตราส่วนระหว่างอินพุตและเอาต์พุต และแสดงถึงการมีส่วนร่วมของแอมพลิฟายเออร์. เครื่องขยายเสียงที่ดีก็คือการมีส่วนร่วมให้มาก "เอาท์พุต" ภายในตัวมันให้ได้มากที่สุด "หลากหลายความสามารถของตัวเอง".
-ความถี่ในการทำงาน. นี่แสดงถึงความสามารถในการรองรับของเครื่องขยายเสียงสำหรับสัญญาณความถี่ต่างๆ.
- แบนด์วิดธ์ที่ทำงาน. วิธีนี้จะกำหนดว่าแอมพลิฟายเออร์สามารถทำได้มากน้อยเพียงใด "มีส่วนช่วย". สำหรับเครื่องขยายสัญญาณย่านความถี่แคบ, แม้ว่าการออกแบบของตัวเองจะไม่มีปัญหาก็ตาม, การมีส่วนร่วมอาจถูกจำกัด.
-ความมั่นคง. ทรานซิสเตอร์ทุกตัวมีศักยภาพ "ภูมิภาคที่ไม่มั่นคง" NS "ออกแบบ" ของแอมพลิฟายเออร์จำเป็นต้องกำจัดความไม่เสถียรที่อาจเกิดขึ้นเหล่านี้. ความเสถียรของแอมพลิฟายเออร์มีสองประเภท, อาจไม่เสถียรและมั่นคงอย่างแน่นอน. แบบแรกอาจดูไม่เสถียรภายใต้เงื่อนไขและสภาพแวดล้อมบางประการ, ในขณะที่อย่างหลังสามารถรับประกันความมั่นคงได้ในทุกสถานการณ์. คำถามเรื่องความมั่นคงมีความสำคัญเนื่องจากความไม่มั่นคงหมายถึง "การสั่น", เมื่อเครื่องขยายเสียงไม่เพียงส่งผลต่อตัวมันเองเท่านั้น, แต่ยังทำให้เกิดปัจจัยที่ไม่แน่นอนอีกด้วย.
- กำลังขับสูงสุด. ตัวบ่งชี้นี้จะกำหนด "ความจุ" ของเครื่องขยายเสียง. สำหรับ "ระบบขนาดใหญ่", หวังว่าพวกเขาจะสามารถส่งออกพลังงานได้มากขึ้นโดยเสียค่าใช้จ่ายบางส่วน.
-ประสิทธิภาพ. แอมพลิฟายเออร์ต้องใช้ปริมาณที่กำหนด "พลังงาน" และยังบรรลุถึงจำนวนหนึ่งด้วย "ผลงาน". อัตราส่วนของการมีส่วนร่วมต่อการบริโภคคือประสิทธิภาพของเครื่องขยายเสียง. แอมพลิฟายเออร์ที่ดีคือแอมพลิฟายเออร์ที่มีส่วนสนับสนุนมากขึ้นและกินไฟน้อยลง.
- เป็นเส้นตรง. ความเป็นเชิงเส้นแสดงลักษณะการตอบสนองที่ถูกต้องของแอมพลิฟายเออร์ต่ออินพุตจำนวนมาก. การเสื่อมสภาพของความเป็นเส้นตรงหมายความว่าเครื่องขยายเสียง "บิดเบือน" หรือ "บิดเบือน" อินพุตเมื่อมีอินพุตเกิน. เครื่องขยายเสียงที่ดีไม่ควรแสดงสิ่งนี้ "นอกลู่นอกทาง" ธรรมชาติ.

องค์ประกอบวงจรของเครื่องขยายกำลัง RF RF PA

แอมพลิฟายเออร์มีหลายประเภท. แบบย่อ, วงจรของเครื่องขยายเสียงสามารถประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังต่อไปนี้: ทรานซิสเตอร์, วงจรอคติและเสถียรภาพ, และวงจรจับคู่อินพุตและเอาต์พุต.

1. ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์มีหลายชนิด, รวมถึงทรานซิสเตอร์ที่มีโครงสร้างต่าง ๆ ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้น. โดยพื้นฐานแล้ว, ทรานซิสเตอร์ทำงานเป็นแหล่งกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าที่ควบคุมโดยการแปลงพลังงานของกระแสตรงเปล่าให้เป็น a "มีประโยชน์" เอาท์พุต. พลังงานกระแสตรงได้มาจากโลกภายนอก, และทรานซิสเตอร์ก็กินมันและแปลงเป็นส่วนประกอบที่มีประโยชน์. ทรานซิสเตอร์, เราถือได้ว่าเป็น "หน่วย". แตกต่าง "ความสามารถ" ของทรานซิสเตอร์ชนิดต่างๆ, เช่นความสามารถในการต้านทานอำนาจนั้นแตกต่างกัน, ซึ่งก็เนื่องมาจากความสามารถในการรับพลังงานกระแสตรงด้วย; ตัวอย่างเช่น, ความเร็วในการตอบสนองแตกต่างกัน, ซึ่งกำหนดว่าสามารถทำงานได้กว้างและสูงแค่ไหนในย่านความถี่; ตัวอย่างเช่น, อิมพีแดนซ์ที่หันเข้าหาพอร์ตอินพุตและเอาต์พุตจะแตกต่างกัน, และความสามารถในการตอบสนองภายนอกก็แตกต่างกัน, ซึ่งกำหนดความยากในการจับคู่มัน.

2. วงจรอคติและเสถียรภาพ

วงจรไบแอสและเสถียรภาพเป็นวงจรที่แตกต่างกันสองวงจร, แต่เนื่องจากมักจะแยกแยะได้ยากและเป้าหมายการออกแบบมาบรรจบกัน, พวกเขาสามารถพูดคุยร่วมกันได้.
การทำงานของทรานซิสเตอร์จะต้องอยู่ภายใต้สภาวะอคติบางอย่าง, ซึ่งเราเรียกว่าจุดปฏิบัติการคงที่. นี่คือรากฐานของทรานซิสเตอร์และตัวมันเอง "การวางตำแหน่ง". ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวมีตำแหน่งที่แน่นอนในตัวเอง, และตำแหน่งที่แตกต่างกันจะกำหนดโหมดการทำงานของตัวเอง, และยังมีการแสดงที่แตกต่างกันในตำแหน่งที่แตกต่างกัน. จุดวางตำแหน่งบางจุดมีความผันผวนเล็กน้อย, ซึ่งเหมาะกับงานสัญญาณขนาดเล็ก; ตำแหน่งบางจุดมีความผันผวนอย่างมาก, ซึ่งเหมาะสำหรับเอาต์พุตกำลังสูง; จุดวางตำแหน่งบางจุดมีความต้องการน้อยกว่า, การปล่อยบริสุทธิ์, และเหมาะกับงานที่มีเสียงรบกวนต่ำ; ตำแหน่งบางจุด, ทรานซิสเตอร์จะอยู่ระหว่างความอิ่มตัวและจุดตัดเสมอ, อยู่ในสถานะสลับ. จุดอคติที่เหมาะสมเป็นพื้นฐานสำหรับการทำงานตามปกติ.
วงจรรักษาเสถียรภาพจะต้องอยู่ก่อนวงจรที่ตรงกัน, เพราะทรานซิสเตอร์ต้องการวงจรรักษาเสถียรภาพเป็นส่วนหนึ่งของตัวมันเอง, แล้วติดต่อกับโลกภายนอก. ในสายตาของโลกภายนอก, ทรานซิสเตอร์ที่มีวงจรลดการสั่นไหวคือ a "ใหม่เอี่ยม" ทรานซิสเตอร์. มันทำให้แน่ใจ "การเสียสละ" เพื่อให้ได้ความมั่นคง. กลไกที่ทำให้วงจรมีเสถียรภาพทำให้ทรานซิสเตอร์ทำงานได้อย่างราบรื่นและมั่นคง.

3. วงจรจับคู่อินพุตและเอาต์พุต

วัตถุประสงค์ของวงจรจับคู่คือการเลือกโหมดที่ยอมรับ. สำหรับทรานซิสเตอร์ที่ต้องการให้เกนเพิ่มขึ้น, แนวทางคือการยอมรับและส่งออกไปทั่วกระดาน. This means that through the interface of the matching circuit, the communication between different transistors is smoother. For different types of amplifiers, the matching circuit is not the only design method that is "accepted in its entirety". Some small tubes with small DC and shallow foundation are more willing to do a certain amount of blocking when receiving to obtain better noise performance. อย่างไรก็ตาม, the blocking cannot be overdone, otherwise it will affect its contribution. For some giant power tubes, you need to be cautious when outputting, because they are more unstable, และในเวลาเดียวกัน, a certain amount of reservation helps them to exert more "undistorted" พลังงาน.

Realization of Stability of RF Power Amplifier RF PA

Every transistor is potentially unstable. Good stabilizing circuits can be fused with transistors to form a "continuous work" โหมด. The implementation of stabilization circuits can be divided into two types: narrow-band and wide-band.
The narrowband stabilization circuit consumes a certain amount of gain. This stable circuit is realized by adding certain consumption circuits and selective circuits. This circuit allows the transistor to contribute only a small frequency range. Another broadband stabilization is the introduction of negative feedback. This circuit can work over a wide range.
The source of instability is positive feedback, and the idea of narrow-band stability is to curb some of the positive feedback. แน่นอน, this also suppresses the contribution. Negative feedback, done well, has many additional gratifying advantages. ตัวอย่างเช่น, negative feedback may prevent transistors from being matched, neither needing to be matched to interface well with the outside world. นอกจากนี้, การแนะนำข้อเสนอแนะเชิงลบจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงเส้นของทรานซิสเตอร์.

เทคโนโลยีการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องขยายกำลัง RF RF PA

ประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์มีขีดจำกัดทางทฤษฎี. ขีดจำกัดนี้จะแตกต่างกันไปตามการเลือกจุดอคติ (จุดปฏิบัติการแบบคงที่). นอกจากนี้, ถ้าวงจรต่อพ่วงไม่ได้ออกแบบมาอย่างดี, ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างมาก. ในปัจจุบัน, วิศวกรไม่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้หลายวิธี. มีเพียงสองประเภทที่นี่: เทคโนโลยีการติดตามซองจดหมายและเทคโนโลยีโดเฮอร์ตี้.
สาระสำคัญของเทคโนโลยีการติดตามซองจดหมายคือการแยกอินพุตออกเป็นสองประเภท: เฟสและซองจดหมาย, แล้วขยายแยกตามวงจรขยายสัญญาณต่างๆ. ทางนี้, แอมพลิฟายเออร์สองตัวสามารถโฟกัสไปที่ส่วนต่างๆ ของตัวมันเองได้, and the cooperation of the two amplifiers can achieve the goal of higher efficiency utilization.
The essence of Doherty technology is: using two transistors of the same type, only one works when the input is small, and works in a high-efficiency state. If the input increases, both transistors work simultaneously. The basis for the realization of this method is that the two transistors should cooperate with each other tacitly. The working state of one transistor will directly determine the working efficiency of the other.

Testing Challenges for RF PAs

Power amplifiers are very important components in wireless communication systems, but they are inherently non-linear, causing spectral growth phenomena that interfere with adjacent channels, and may violate statutory-mandated out-of-band emission standards. This characteristic can even cause in-band distortion, which increases the bit error rate (BER) and reduces the data transmission rate of the communication system.
Under the peak-to-average power ratio (PAPR), the new OFDM transmission format will have more sporadic peak power, making the PA difficult to be segmented. This degrades spectral mask compliance and increases EVM and BER across the waveform. To solve this problem, design engineers usually deliberately reduce the operating power of the PA. Unfortunately, this is a very inefficient approach, since the PA reduces 10% of its operating power and loses 90% of its DC power.
Most of today's RF PAs support multiple modes, ช่วงความถี่, and modulation modes, making more test items available. Thousands of test items are not uncommon. The use of new technologies such as crest factor reduction (CFR), digital predistortion (DPD) and envelope tracking (ET) can help optimize PA performance and power efficiency, but these technologies will only make the test more complicated and greatly prolong the test time. Design and test time. Increasing the bandwidth of the RF PA will result in a five-fold increase in the bandwidth required for DPD measurements (possibly exceeding 1 GHz), further increasing test complexity.
According to the trend, in order to increase efficiency, RF PA components and front-end modules (FEM) will be more closely integrated, and a single FEM will support a wider range of frequency bands and modulation modes. Integrating an ET power supply or modulator into the FEM can effectively reduce the overall space requirements inside the mobile device. Increasing the number of filter/duplexer slots to support a larger operating frequency range will increase the complexity of mobile devices and the number of test items.

Mobile Phone RF Module Power Amplifier (ปะ) Market Situation

The field of mobile phone power amplifiers is currently a component that cannot be integrated in mobile phones. Mobile phone performance, footprint, call quality, mobile phone strength, and battery life are all determined by the power amplifier.
How to integrate these power amplifiers of different frequency bands and standards is an important subject that the industry has been studying. ปัจจุบัน, there are two solutions: one is the fusion architecture, which integrates RF power amplifiers PA of different frequencies; the other architecture is the integration along the signal chain, นั่นคือ, the PA and the duplexer are integrated. Both schemes have advantages and disadvantages, and are suitable for different mobile phones. Converged architecture, high integration of PA, has obvious size advantage for more than 3 แถบความถี่, and obvious cost advantage for 5-7 แถบความถี่. The disadvantage is that although the PA is integrated, the duplexer is still quite complicated, and there is switching loss when the PA is integrated, and the performance will be affected. For the latter architecture, the performance is better. The integration of the power amplifier and the duplexer can improve the current characteristics, which can save tens of milliamperes of current, which is equivalent to extending the talk time by 15%. ดังนั้น, industry insiders suggest that when there are more than 6 แถบความถี่ (excluding 2G, referring to 3G and 4G), a converged architecture is adopted, and when less than 4 frequency bands are used, PAD, a solution integrating PA and duplexer, is used.