×
Տրանզիստորների կարգավորման եղանակը իրականում որոշում է ՌՉ հզորության ամպլիֆիկատորների կողմից ձեռքբերման և արդյունավետության միջև հավասարակշռության ստեղծման պայմանները: Եկեք սկսենք Ա դասի աշխատանքից, որը ապահովում է հիասքանչ գծայինություն և բավարար ձեռքբերում՝ մոտավորապես 10–20 դԲ միջակայքում: Սակայն այստեղ կա մեկ այլ կետ. այս ամպլիֆիկատորները աշխատում են միայն 20–30 % արդյունավետությամբ, քանի որ դրանք անընդհատ հաղորդում են հոսանք: Երբ ինժեներները անցնում են ԱԲ կամ Բ դասի կոնֆիգուրացիաներին, նրանք նվազեցնում են ստատիկ հոսանքը, ինչը բարձրացնում է արդյունավետությունը 50–70 % միջակայքում: Այնուամենայնիվ, սա ունի որոշ թերարժեքներ, քանի որ գծայինությունը նվազում է, իսկ ձեռքբերումը փոքր-ինչ նվազում է: Դասակարգման հաջորդ մակարդակը՝ Գ դասը, որտեղ արդյունավետությունը բարձրանում է 60 %-ից վեր, սակայն ճշմարիտ է ասել, որ այն այսօրվա պահանջներին բավարար չէ: Ձեռքբերման և գծայինության միջև կատարվող փոխզիջումները դարձնում են Գ դասը անհարմար ժամանակակից կիրառումների համար, օրինակ՝ 5G Նոր Ռադիո համակարգերի համար, որոնք պահանջում են զգալիորեն լավագույն աշխատանքային բնութագրեր:
Սարքի տեխնոլոգիայի ընտրությունը իրականում ազդում է այս հավասարակշռության վրա՝ միջև կատարողականությունն ու գործնականությունը: Օրինակ՝ նայենք գալիում-ազոտի (GaN) տրանզիստորներին. դրանք գերազանցում են ավանդական LDMOS տեխնոլոգիան, երբ հաճախականությունները գերազանցում են 3 ԳՀց-ը: Դա պայմանավորված է նրանով, որ GaN-ը ավելի բարձր էֆեկտիվություն է ցուցադրում և ավելի շատ հզորություն է տեղավորում փոքր տարածքներում: Ինչու՞: Դա պայմանավորված է նրանով, որ էլեկտրոնները ավելի արագ են շարժվում GaN նյութերով, և այն կարող է դիմանալ ավելի բարձր լարումների, քան մինչև վնասվելը: Սակայն կա մեկ այլ հարց. GaN-ը չի կարողանում այնքան լավ կառավարել ջերմությունը, որքան այլ նյութերը, այդ պատճառով ինժեներները պետք է լրացուցիչ մտածեն այս բաղադրիչների սառեցման մասին: Իրական աշխարհի կիրառությունների տեսանկյունից շատ բարձր հզորությամբ բջջային բազային կայանները այժմ օգտագործում են GaN տրանզիստորներ՝ այսպես կոչված «AB դաս» կոնֆիգուրացիաներում: Այս կառուցվածքները սովորաբար հասնում են մոտավորապես 60 % հզորության ամպլիֆիկատորի էֆեկտիվության և մոտավորապես 30 դԲ սիգնալի ամպլիֆիկացիայի: Մինչդեռ բյուջետային սպառողական էլեկտրոնիկայի արտադրողները սովորաբար մնում են LDMOS տեխնոլոգիայի բարելավված տարբերակների վրա՝ տարբեր փոխզիջման դիզայներում, որտեղ արժեքը մնում է առաջնային համարվող գործոն:
Հզորության ավելացման էֆեկտիվություն (PAE)՝ սահմանված որպես (P դուրս – P նԵՐ )/P DC – իրական աշխարհում ռադիոհաճախական հզորության ամպլիֆիկատորի արդյունավետությունը գնահատելու հիմնարար ցուցանիշ: Ի տարբերություն DC-ից RF էֆեկտիվության (Ĭ· DC ), PAE-ն հաշվի է առնում ուժամբարձումը, ինչը այն անհրաժեշտ է բազմաստիճան համակարգերում, որտեղ վարիչ ստիճանի հզորության սպառումը կարևոր է: Օրինակ՝
Այսօրվա 5G մակրո բջիջների ենթակառուցվածքում բարձր PAE-ով դիզայնները գրեթե ստանդարտ են դարձել: Երբ PAE-ն գերազանցում է 50 %-ը, դա իրականում նվազեցնում է ջերմային բեռնվածությունն ու էներգիայի ծախսերը մոտավորապես 30 %-ով՝ համեմատած հին համակարգերի հետ: Դժվարությունը առաջանում է, երբ փորձում են մաքսիմալացնել PAE-ն՝ միաժամանակ պահպանելով լավ գծայինության ցուցանիշներ: Ինժեներները սովորաբար օգտագործում են մի շարք մեթոդներ, ինչպես օրինակ՝ շրջանային հետադարձ կապ (envelope tracking) կամ թվային նախնական աղավաղում (digital pre-distortion), որպեսզի հավասարակշռեն այդ ցուցանիշները, սակայն այդ մեթոդները անշուշտ բարդացնում են համակարգի դիզայնը: 6 ԳՀց-ից բարձր հաճախականություններում և միլիմետրային ալիքների շրջանում սպեկտրային արդյունավետության նկատմամբ աճող պահանջների պայմաններում PAE-ն շարունակում է մնալ ամենահուսալի ցուցանիշը՝ գնահատելու համար, թե ինչպես է իրական աշխարհում մուտքային հզորությունը վերափոխվում ելքային հզորության:
Երբ մենք օպտիմալացնում ենք բեռնման իմպեդանսը (Zlopt), ստանում ենք առավելագույն ելքային հզորություն և էֆեկտիվություն, սակայն միայն այդ հատուկ հաճախականության դեպքում: Լայնաշերտ համակարգերը, ինչպես օրինակ՝ 5G NR-ը, այստեղ դիմանում են խնդիրների, քանի որ այս տեսակի նեղ կենտրոնացումը վատ է համատեղվում լայն շերտի վրա լավ գծայինության պահանջի հետ: Բեռնման ձգման (load-pull) տվյալների վերլուծությունը բացահայտում է մի հետաքրքիր փաստ այդ իմպեդանսների մասին, որոնք մեզ տալիս են առավելագույն էֆեկտիվություն: Դրանք սովորաբար վատացնում են Հարակից Շարժական Շերտի Հզորության Հարաբերությունը (ACPR) մոտավորապես 5–8 դԲ-ով, երբ օգտագործվում են մի քանի կրող հաճախականությունների կամ տարբեր հաճախականության շերտերի վրա: Ինչու՞ է սա տեղի ունենում: Լայնաշերտ համապատասխանեցման ցանցերը ստիպված են հաշվի առնել բազմաթիվ հաճախականությունների համար կատարվող հարաբերական զիջումները, իսկ Zlopt-ը միայն մեկ կետում օպտիմալ արդյունքի հասնելու մասին է: Այս մարտահրավերի պատճառով ինժեներները հաճախ զիջում են մոտավորապես 10–15 % առավելագույն էֆեկտիվություն՝ պահպանելու սխալի վեկտորային մեծությունը 3 %-ից ցածր և բավարարելու բազմակրող համակարգերում դաժան ACLR սպեցիֆիկացիաները:
Պարազիտային կապացիտետի և ինդուկտիվության առկայությունը մեծ խնդիր է դառնում 2 ԳՀց-ից բարձր հաճախականություններում աշխատող սարքավորումների համար: Կապման լարի ինդուկտիվությունը հաճախ գերազանցում է 0.5 նանոհենրի մեկ միլիմետրի վրա, ինչը առաջացնում է փուլային աղավաղումներ և սարքավորման ընդհանուր դիմադրության անհամապատասխանություն: Միաժամանակ, երբ սեմիպրովոդչային սարքի միացման կետից մինչև շրջակա միջավայրի ջերմային դիմադրությունը գերազանցում է մոտավորապես 15 °C/Վտ այն համակարգերում, որոնք ճիշտ չեն սառեցվում, սեմիպրովոդչային սարքի մակերեսը չափից շատ տաքանում է: Այս տաքացումը կտրուկ նվազեցնում է կրողների շարժունակությունը և կարող է հանգեցնել մոտավորապես 20 % արդյունավետության կորստի՝ առավելագույն հզորությամբ աշխատելիս: Բոլոր այս խնդիրները վատթարվում են մայրի տախտակի վատ դասավորության դեպքում, երբ ազդանշանների ճանապարհները չեն օպտիմալացված, իսկ բաղադրիչները տեղադրված են՝ չհաշվի առնելով իրենց ջերմային փոխազդեցությունը:
Բարձր հզորության 5G ամպլիֆիկատորներում նման դասավորությամբ պայմանավորված վատացումը կարող է նվազեցնել ելքային հզորությունը 3 դԲ-ով և վատացնել սպեկտրային վերաճը: Վարակի վերացման համար անհրաժեշտ է համատեղ օպտիմալացում.
| Նախագծման գործոն | Վատացման ազդեցությունը | Օպտիմալացման մոտեցումը |
|---|---|---|
| Պարազիտային կառավարումը | Սահմանային շարքի նվազում >15% | Կարճացված միացումներ, ֆլիփ-չիպ փաթեթավորում |
| Icական կառավարում | Օգտակար գործողության գործակցի նվազում՝ մոտավորապես 20% | Ջերմային անցքեր, ուղղակի միացված պղնձե ստորաշերտեր |
| Հոսանքի օղակներ | Կայունության մեջբերման նվազում | Աստղաձև հողակցում, նվազեցված վերադարձի ճանապարհներ |
Շարքի դասավորման ընթացքում էլեկտրամագնիսական և ջերմային մոդելների ակտիվ համամոդելավորումը՝ այլ ոչ թե դասավորման հետո կատարվող ճշգրտումը՝ ապահովում է համակարգի կայուն աշխատանքը շրջակա միջավայրի և շահագործման ծայրահեղ պայմաններում:
RF հզորության ամպլիֆիկատորներից լավ ցուցանիշներ ստանալը իրականում կախված է երեք հիմնական խնդիրների լուծումից, որոնք իրար հետ կապված են. ապահովել համակարգի կայունությունը, կանխել անցանկալի օսցիլյացիաները և պահպանել սիգնալների գծայինությունը, երբ դա անհրաժեշտ է: Այս խնդրահրա вызывающие օսցիլյացիաները սովորաբար առաջանում են անսպասելի հետադարձ կապի օղակների կամ սիգնալի ճանապարհի վրա իմպեդանսի փոփոխությունների պատճառով: Երբ դա տեղի է ունենում, սա սպեկտրում ավելցուցիկ աղմուկ է ստեղծում, խախտում է FCC և ETSI նման կազմակերպությունների կողմից սահմանված սահմանափակումները և ամենավատ դեպքում կարող է հալեցնել բաղադրիչները տաքացման պատճառով: Փոփոխվող բեռնվածքների դեպքում սիգնալների գծայինությունը պահպանելը մեկ այլ մեծ մարտահրավեր է: Դա պահանջում է հզորության կիրառման չափի մշակված վերահսկում և հարմոնիկների ճիշտ մշակում՝ սիգնալների միջև միջամտությունը նվազեցնելու համար: Սա դառնում է նույնիսկ ավելի կրիտիկական բազմասիգնալային համակարգերում, որտեղ ACLR ստանդարտների պահպանումը որոշում է, թե արդյոք ամբողջ համակարգը համապատասխանում է կարգավորող փորձարկումների պահանջներին, թե ոչ:
Այս նպատակների հասնելու համար անհրաժեշտ են հիմանավորված ստուգումներ դիզայնի մշակման նախապես։ K-գործակցի և μ-գործակցի վերլուծությունը օգնում է հայտնաբերել համակարգի անկայունության հնարավոր տեղերը, իսկ ակտիվ բեռնվածքի քաշման փորձարկումները ցույց են տալիս խնդրահրա вызումները տարբեր հաճախականություններում, հզորության մակարդակներում և ջերմաստիճաններում։ Երբ ընկերությունները բաց են թողնում այս քայլերը, փոքր խնդիրներ, ինչպես օրինակ՝ փուլային շումները կամ պատահական օսցիլյացիաները, կարող են անցնել լաբորատորիայի փորձարկումների միջով և հետագայում առաջանալ արդեն շուկայում գտնվող արտադրանքներում։ Դա հանգեցնում է թանկարժեք վերանորոգումների և որևէ մեկի չցանկացած վատ հանրային վերաբերմունքի։ Արդյունաբերության համար ճիշտ RF հզորության ամպլիֆիկատորների մշակումը նշանակում է միաժամանակ հաշվի առնել բազմաթիվ միմյանց հակասող պահանջներ։ Ջերմային շեղումները, արտադրական տատանումները և սպեցիֆիկացիային չհամապատասխանող մասերը կարող են ամբողջ համակարգը դուրս բերել հավասարակշռությունից, եթե դրանք չեն հաշվի առնվում դիզայնի գործընթացում։
RF հզորության ամպլիֆիկատորներում շահույթի և արդյունավետության հավասարակշռությունը կախված է տրանզիստորի բեյսավորման և սարքի ընտրությունից: A դասի ամպլիֆիկատորները ապահովում են հիասքանչ գծայինություն և շահույթ, սակայն ունեն ցածր արդյունավետություն: AB և B դասերի ամպլիֆիկատորները բարելավում են արդյունավետությունը՝ գծայինության և շահույթի մի մասը զիջելով: C դասի ամպլիֆիկատորները բարձր արդյունավետություն են ապահովում, սակայն չեն համապատասխանում ժամանակակից կիրառումների, օրինակ՝ 5G համակարգերի:
PAE (հզորության ավելացված արդյունավետություն) մետրիկ է, որն օգտագործվում է RF ամպլիֆիկատորների արդյունավետությունը գնահատելու համար՝ հաշվի առնելով ինչպես շահույթը, այնպես էլ արդյունավետությունը: Այն կարևոր է մուտքից ելք հզորության փոխակերպման արդյունավետությունը որոշելու համար, հատկապես բազմաստիճան համակարգերում:
Պարազիտային կապացիտետը և ինդուկտիվությունը, ինչպես նաև բարձր ջերմային դիմադրությունը, կարող են առաջացնել փուլային աղավաղում, անհամապատասխան իմպեդանսներ և նվազեցնել արդյունավետությունը: Այս էֆեկտները մեծացվում են վատ ՊԿՊ դասավորության շնորհիվ, ինչը մեծացնում է մուտքային կորուստը և վատացնում է աշխատանքային ցուցանիշները:
