Усилители мощности с интегрированными DC-DC конвертерами

В большинстве случаев выходные усилители должны работать в широком диапазоне уровней мощности, определяемым формой огибающей сигнала, которая, в свою очередь, зависит от типа используемой модуляции, замираний сигнала и расстояния между устройством и базовой станцией. Например, для систем CDMA, выполненных по стандарту IS-95, излучаемая выходная мощность, как правило, не превышает 1 мВт, а усреднённая по времени величина составляет около 10 мВт (в то время как пиковая выходная мощность превышает 300 мВт). КПД усилителей мощности при пониженных уровнях выходной мощности резко снижается, что приводит к снижению эффективности системы в целом.

Одной из задач, рассматриваемой в рамках программы, был поиск стратегии улучшения КПД усилителей мощности, особенно при работе с сигналами малых уровней мощности, что может резко повысить КПД всей системы. Было определено, что для повышения КПД выходного усилителя необходимо изменять или ток потребления, или напряжение питания, или оба этих параметра одновременно с изменением уровня полезного сигнала. На рис. 5 видно, как может быть смещена рабочая точка усилителя при снижении мощности относительно максимального значения (насыщения). Смещение рабочей точки даёт положительные результаты и при работе с сигналами пониженной мощности.

Рис. 5. Нагрузочные кривые для разных рабочих точек транзистора СВЧ усилителя

Наиболее простой способ изменения рабочей точки состоит в изменении стокового (или коллекторного) тока. В усилителях класса AB форма сигнала по току асимметрична, а среднее значение постоянного тока изменяется автоматически в зависимости от уровня выходной мощности. В усилителях класса B рабочая точка по постоянному току изменяется пропорционально квадратному корню из величины выходной мощности, и в некотором узком диапазоне КПД изменяется как корень из мощности (хотя при этом несколько ухудшается линейность). Одним из способов изменения рабочей точки является использование так называемого динамического затворного смещения (схемы, где напряжение на затворе изменяется пропорционально уровню входной мощности, благодаря использованию специального детектора), которое было успешно применено в нескольких последних разработках. Другой способ заключается в изменении величины питающего напряжения в зависимости от уровня выходной мощности. Наиболее оптимальным решением является одновременное изменение тока смещения и напряжения питания.

Управление напряжением питания в зависимости от уровня мощности сигнала можно осуществить с помощью малогабаритных DC-DC конвертеров, выполненных на основе гетеропереходных биполярных GaAs транзисторов (HBT) и объединённых с усилителем мощности в одной монолитной микросхеме. Частота переключения DC-DC конвертера лежит в пределах от 10 до 20 МГц, что позволяет выходному напряжению конвертера отслеживать быстрые изменения огибающей полезного сигнала. В системах сотовой телефонии, выполненных по различным стандартам, частота огибающей сигнала лежит в пределах от 50 кГц до 2 МГц. Высокая частота переключения конвертера также даёт возможность использовать для уменьшения уровня пульсаций малогабаритные катушки индуктивности и конденсаторы.

В схеме используется повышающий конвертер, обеспечивающий изменение выходного напряжения в пределах от 3 до 10 В при входном напряжении 3,3 В, выполненный на мощном HBT-транзисторе, рабочий ток которого достигает 1 А. Катушка индуктивности, кремниевый выпрямительный диод Шоттки и выходной конденсатор выполнены как навесные элементы. Для изменения уровня выходного напряжения в зависимости от величины управляющего напряжения используется широтно-импульсный модулятор (ШИМ). КПД такого конвертера зависит от состояния выходной нагрузки и составляет от 65 до 75%.

Рис. 6. СВЧ усилитель мощности со встроенным DC-DC конвертером

Полная структурная схема усилителя, содержащего DC-DC конвертер, показана на рис. 6. Мощность входного сигнала отслеживается детектором огибающей, который в свою очередь, управляет значением напряжения питания Vcc усилительного каскада. Значение напряжения Vdd было выбрано несколько большим, чем амплитуда колебания СВЧ сигнала в стоке устройства. На рис. 7 изображена зависимость КПД системы с интегрированным DC-DC конвертером от уровня выходной мощности. В этой зависимости учитывается КПД самого DC-DC конвертера. Легко видеть, что на максимальном уровне выходной мощности отдельный усилитель имеет больший КПД, так как отсутствуют потери в конвертере напряжения. На более низких уровнях мощности система с DC-DC конвертером работает эффективнее благодаря возможности оптимально управлять напряжением питания.

Рис. 7. Зависимость КПД усилителя от мощности выходного сигнала при управляемом и фиксированном напряжении питания, а также распределение вероятности мощности сигнала

Существенное же улучшение КПД за счёт использования DC-DC конвертеров достигается в области малых уровней сигналов, где отдельный усилитель работает неэффективно. С учётом вероятности распределения уровня мощности сигнала прирост эффективности усилителя составил 1,4 раза. Дальнейшее увеличение КПД возможно благодаря оптимизации интегральных схем, объединяющих DC-DC конвертер и усилитель мощности (вместе с внешней катушкой индуктивности).

В общем случае, одновременно с изменением мощности входного сигнала и соответствующим ему изменением напряжения стока выходного СВЧ транзистора изменяется и коэффициент усиления транзистора, поэтому важно подавить связанные с этим искажения сигнала. Для этого одновременно со стоковым напряжением изменяют напряжение Vgg на затворе выходного транзистора, что позволяет оптимизировать КПД и снизить паразитное изменение усиления до диапазона ±1 дБ от значения в точке насыщения, что соответствует требованиям стандарта IS-95.

Другим способом оптимизировать эффективность и линейность усилителей за счёт изменения напряжений смещения на коллекторе и базе HBT-транзисторов или на стоке и затворе гетеропереходных FET (HFET) транзисторов является использование цифровой коммутации или комбинации цифровой коммутации и аналоговых DC-DC конвертеров. Коммутация различных ячеек батареи питания может привести к существенному повышению эффективности и линейности даже при двух ступенях переключения. Здесь также возможно использование интегрированных переключателей, выполненных по технологии MEMS, отличающихся повышенной экономичностью. Более детальный анализ показывает, что наиболее существенный прирост КПД при условии поддержания предельной линейности усилителей класса A может быть достигнут только при использовании пошагового цифрового управления.

Поиск по сайту: