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包络跟踪提高了功率放大器的效率
2021年01月12日    阅读量:296    新闻来源:合亚嗒资讯网 heyada.com  |  投稿

RF功率放大器消耗大量能量,这与5G有关。信封跟踪有助于降低功耗,但需要权衡取舍。


在“如何计算RF功率放大器效率”中,我们介绍了功率效率(PE)和放大器的峰均功率无线电(PAPR)的基本概念中国机械网okmao.com。我们还解释了无线信号中的峰均功率比(PAPR)较高如何成为实现最佳功率效率的障碍。由于无线调制中的PAPR高,因此新方法正在用于功率放大器(PA)设计。这些设计方法之一被称为包络跟踪,因为PA电源电压跟踪RF信号的包络。


信封跟踪并不是一个真正的新主意。莱·巴顿(Loy Barton)经常因在1930年代初期发明这项技术而闻名。Barton正在研究提高功率放大器效率的方法,包括发明了B类放大器。这是在AM广播和真空管功率放大器时代。当时,广播电台一直在努力输出最大的信号,因此功率放大器的效率一直是一个大问题。最近,包络跟踪已应用于无线基站和移动设备的基于半导体的放大器。


固定电源

图1显示了常规的PA设置。无线发射机通常具有数字基带部分,该部分使用同相和正交(I / Q)值进行数字调制。(有关I / Q的更多信息,请参见数字调制基础知识,第1部分。)上变频器将基带信号转换到感兴趣的频带,然后由PA放大。对于传统的PA,电源(V S)提供恒定,可靠的电压,该电压可提供足够的电流以保持PA正常工作。PA必须具有足够大的电源电压以处理峰值功率,这是PA最有效的地方。但是,在大多数情况下,PA的输出功率较低,效率较低。


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图1.传统功率放大器使用固定的电源电压。


通常,PAPR的范围为5 dB至13 dB,具体取决于特定的调制格式。例如,在10 dB PAPR时,峰值功率是平均功率的10倍。平均而言,能够产生10 W输出功率的PA将仅以1 W输出功率滑行。


图2以图形方式说明了这种现象,显示了当电源电压和信号电压之间存在明显差异时发生的功率浪费。当信号接近峰值时,PA会非常高效地工作,但是当信号电平下降时,会浪费大量功率。


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图2.传统的功率放大器使用固定的电源电压,通常在信号电平较低时浪费功率。图片:高通


可变电源

包络跟踪的关键思想是实时改变电源电压,以满足PA电源电压需求。当信号达到峰值时,电源电压被驱动得更高,但是当信号电平下降时,电源电压也随之下降。如图3所示,该技术可以大大减少电路中浪费的功率。

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图3.包络跟踪功率放大器系统改变电源电压,跟踪所需的信号电平。图片:高通


图4显示了采用包络跟踪的PA系统。包络检波器监视基带信号的幅度。这可能是一个模拟电路,但是当今大多数基带系统都是数字的,因此包络检波器也是数字的。包络检波器使用I / Q基带数据实时计算信号的幅度。


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图4.包络跟踪功率放大器跟踪信号电平并调整电源电压以实现最大效率。


包络整形模块将包络电平转换为所需的电源电压。这可能是一条直线函数,但更有可能的是,系统设计将包括一些非线性整形,以优化PA的整体性能。设计人员通常会对PA电源电压施加一个下限,以便即使信号消失,电路也保持偏置。


信封跟踪电源(ETPS)使用包络整形输出来产生去往PA的可变电源电压(V PA)。ETPS显示为放大器符号,以强调该模块必须具有通常与放大器相关的动态性能:带宽,噪声,增益和精度。这不是简单的直流稳压器。ETPS必须具有足够的带宽以跟上调制速率,这意味着其带宽大约是调制带宽的2至3倍。LTE具有高达20 MHz的信道带宽,要求ETPS带宽约为50 MHz。随着吞吐量的提高,5G通道需要更高的带宽。为了保持系统的整体电源效率,ETPS本身必须具有电源效率。


包络跟踪系统中的两个主要路径,即通过PA的信号路径和包络跟踪路径,必须进行时间同步。PA电源电压必须在正确的时间响应信号包络的变化-不能太早也不能太晚。路径之间的不匹配会降低功率效率,并在传输的信号中引入失真。可以将延迟匹配块添加到系统图中,这有助于满足此延迟匹配要求。


系统设计

信封跟踪的基本概念相对容易理解。但是,这种设计方法的实现比使用固定电压电源要复杂得多。ETPS是一种高带宽放大器,能够提供足够的功率使PA正常工作。PA通常是系统中最耗电的设备,需要来自ETPS的高电流。ETPS还必须具有低输出噪声,以避免RF信号劣化。


有时,PA增益可能会随电源电压而变化,这可能将幅度调制引入RF信号。这可能会限制PA电源可以承受的电压变化量。了解PA的特性并使用包络整形来优化系统的整体性能非常重要。


包络跟踪是一种可以提高PA效率的设计方法。在下一篇文章中,我们将介绍另一种方法:Doherty Amplifier。


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