×
Tranzistorių įtemptis nulemia tai, kaip RF galios stiprintuvai balansuoja stiprinimą ir naudingumo koeficientą. Pradėkime nuo A klases veikimo režimo, kuris užtikrina puikią tiesiškumą ir pakankamą stiprinimą – apie 10–20 dB. Tačiau čia yra viena problema: šie stiprintuvai veikia tik su 20–30 % naudingumo koeficientu, nes jie nuolat praleidžia srovę. Kai inžinieriai pereina prie AB arba B klasės konfigūracijų, jie sumažina ramybės srovę, todėl naudingumo koeficientas pakyla iki 50–70 %. Tačiau tai turi tam tikrų trūkumų: tiek tiesiškumas, tiek stiprinimas šiek tiek sumažėja. Toliau turime C klasės režimą, kuriame naudingumo koeficientas pakyla virš 60 %, tačiau iš tikrųjų jis tiesiog nepakankamai gerai veikia šiandienos reikalavimams. Dėl stiprinimo ir tiesiškumo kompromisų C klasės režimas netinka šiuolaikinėms programoms, pvz., 5G naujosios radijo (New Radio) sistemoms, kurios reikalauja žymiai geresnių eksploatacinių charakteristikų.
Įrenginio technologijos pasirinkimas tikrai lemia šį balansą tarp našumo ir praktiškumo. Paimkime, pavyzdžiui, galio nitrido (GaN) tranzistorius – jie pranašesni už tradicinę LDMOS technologiją, kai dažnis viršija 3 GHz. Tai įvyksta todėl, kad GaN užtikrina geresnį naudingumo koeficientą ir leidžia į mažesnius tūrius supakuoti didesnę galią. Kodėl taip yra? Elektronai GaN medžiagose juda greičiau, o ši medžiaga gali išlaikyti aukštesnį įtampą, nepradėdama žlugti. Tačiau yra viena problema: GaN šilumos negali atlaikyti taip gerai kaip kitos medžiagos, todėl inžinieriams reikia papildomai pagalvoti apie šių komponentų aušinimą. Realiose taikymo srityse dauguma aukštos galios mobiliųjų ryšių bazinių stočių šiuo metu naudoja GaN tranzistorius, sukonfigūruotus taip vadinamoje AB klasės schemoje. Šios konfigūracijos paprastai pasiekia apie 60 % galios stiprintuvo naudingumo koeficientą ir apytiksliai 30 dB signalo stiprinimą. Tuo tarpu biudžetiškų vartotojų elektronikos gamintojai dažniausiai lieka prie tobulintų LDMOS technologijos versijų įvairiose kompromisinėse konstrukcijose, kur kaina vis dar yra pirminis veiksnys.
Galiai pridėta naudingumo koeficiento (PAE) apibrėžtis – tai (P iŠORĖJE – P į )/P DC – yra vienintelis rodiklis, vertinant realaus pasaulio RF galios stiprintuvo veiksmingumą. Skirtingai nuo nuolatinės srovės į radijo dažnio (DC-to-RF) naudingumo koeficiento (Ĭ· DC ), PAE įvertina stiprinimą, todėl ji yra būtina daugiapakopėse sistemose, kur svarbus varomosios pakopos energijos suvartojimas. Pavyzdžiui:
Dabar aukšto naudingumo koeficiento (PAE) projektavimas praktiškai tapo standartu 5G makrocelių infrastruktūroje. Kai naudingumo koeficientas viršija 50 %, tai tikrąja prasme sumažina tiek šiluminę apkrovą, tiek energijos sąnaudas apie 30 % lyginant su senesniais sistemomis. Sudėtinga dalis kyla bandant maksimaliai padidinti naudingumo koeficientą, vienu metu išlaikant gerą tiesiškumo charakteristiką. Inžinieriai dažnai naudoja tokias technikas kaip aplinkos sekimo valdymas (envelope tracking) arba skaitmeninis išankstinis iškraipymas (digital pre-distortion), kad pasiektų pusiausvyrą, tačiau šios metodikos tikrai sudėtingina sistemos projektavimą. Didėjant poreikiui efektyvesnės spektrinės naudos dažnių ruožuose virš 6 GHz ir milimetrinių bangų (mmWave) juostose, naudingumo koeficientas (PAE) vis dar yra patikimiausias rodiklis, vertinant, kaip veiksmingai galia konvertuojama iš įėjimo į išėjimą realiose aplikacijose.
Kai optimizuojame apkrovos impedansą (Zlopt), gauname maksimalią išvesties galią ir naudingumo koeficientą, tačiau tik tam tikroje dažnių reikšmėje. Plačiajuosčių sistemų, tokių kaip 5G NR, šioje vietoje kyla problemų, nes toks siauras orientavimasis netinka gerai tiesiškumui užtikrinti per plačią juostą. Analizuojant apkrovos traukos (load-pull) duomenis, pastebima įdomi detalė, susijusi su šiais impedansais, kurie užtikrina aukščiausią naudingumo koeficientą: jie paprastai pablogina gretimos kanalo galios santykį (ACPR) maždaug 5–8 dB, kai naudojami keliems perdavimo kanalams ar skirtingoms dažnių juostoms. Kodėl taip nutinka? Na, plačiajuosčių priderinimo tinklų konstravimas reikalauja kompromisų tarp daugelio dažnių, tuo tarpu Zlopt siekia tik vieno optimalaus taško pasiekimo. Dėl šios problemos inžinieriai dažnai priversti aukoti apytiksliai 10–15 procentų viršutinės naudingumo koeficiento reikšmės, kad klaidų vektorių dydis liktų žemiau 3 % ir būtų tenkinamos griežtos ACLR specifikacijos daugiakanaliuose įrenginiuose.
Parazitinės talpos ir induktyvumo buvimas tampa didelė problema grandinėms, veikiančioms dažniu aukštesniu nei 2 GHz. Jungiamųjų laidų induktyvumas dažnai viršija 0,5 nanohenrio vienam milimetru, dėl ko kyla fazės iškraipymo problemų ir nepritaikytų impedansų visoje plokštėje. Tuo pačiu metu, kai šiluminis pasipriešinimas nuo pereinamojo sluoksnio iki aplinkos viršija apytiksliai 15 °C/W sistemose, kurios nėra tinkamai vėdinamos, puslaidininkių kristalas perkaista. Šis karščio kaupimasis žymiai sumažina krūvininkų judėjimo mobilumą ir gali sukelti iki 20 % naudingumo koeficiento praradimą maksimaliu galios išėjimu. Visos šios problemos dar labiau paaštrėja dėl netinkamo spausdintosios grandinės plokštės išdėstymo, kai signalo kelias nėra optimizuotas, o komponentai išdėstyti nepaisant jų šiluminių sąveikų.
Didelės galios 5G stiprintuvuose tokie išdėstymo sąlygoti blogėjimai gali sumažinti išėjimo galią 3 dB ir pabloginti spektrinį augimą. Šiems reiškiniams šalinti reikia bendros optimizacijos:
| Dizaino veiksnys | Blogėjimo poveikis | Optimizavimo metodas |
|---|---|---|
| Parazitinių reiškinių kontrolė | Juostos plotio sumažėjimas daugiau kaip 15 % | Trumpesni jungiamieji laidai, „flip-chip“ pakavimas |
| Termaliojo valdymo | Efektyvumo sumažėjimas ~20 % | Šiluminiai perėjimai, tiesiogiai sujungtos varinės pagrindo plokštės |
| Srovės kontūrai | Stabilumo ribos susiaurėjimas | Žvaigždės formos įžeminimas, minimalizuoti grįžtamojo kelio ilgiai |
Aktyvus elektromagnetinių ir šiluminių modelių bendras modeliavimas montavimo schemos kūrimo metu – o ne po montavimo schemos sukūrimo – užtikrina patikimą veikimą esant ekstremalioms aplinkos ir eksploatacijos sąlygoms.
Gauti gerą RF galios stiprintuvų našumą iš tikrųjų susiję su trimis pagrindinėmis, tarpusavyje susijusiomis problemomis: užtikrinti stabilumą, neleisti nepageidaujamų svyravimų ir išlaikyti signalų tiesiškumą ten, kur jis reikalingas. Šie nepageidaujami svyravimai dažniausiai kyla dėl netikėtų atgalinio ryšio kilpų arba impedanso pokyčių signalo kelyje. Tokiu atveju spektras užteršiamas papildomu triukšmu, pažeidžiamos FCC ir ETSI nustatytos normos, o blogiausiu atveju komponentai gali perkaisti ir suirti. Kitas didelis iššūkis – išlaikyti signalų tiesiškumą keičiantis apkrovai. Tam reikia tiksliai kontroliuoti pritaikomą galią ir tinkamai tvarkyti harmonikas, kad būtų sumažinta sąveika tarp signalų. Tai dar labiau svarbu sistemose, kuriose vienu metu apdorojami keli signalai, nes šiuo atveju ACLR standartų laikymasis lemia, ar visa sistema išlaiko reglamentinius reikalavimus, ar ne.
Šių tikslų pasiekimui reikia išsamios patikros dar prieš pradedant kurti projektus. K-koeficiento ir mu-koeficiento analizė padeda nustatyti, kur gali kilti nestabilumo problemų, o aktyvūs apkrovos traukos bandymai parodo problemų vietas skirtingose dažnio, galios ir temperatūros sąlygose. Kai įmonės praleidžia šiuos etapus, nedidelės problemos, pvz., fazės triukšmo ar kartais atsirandančių svyravimų, gali nepastebėti laboratorijos bandymuose ir vėliau iškilti jau tada, kai produktai jau yra naudojami praktikoje. Tai lemia brangius taisymus ir neigiamą viešąją įvaizdį, kurio niekas nenori. Pramonės reikmėms tinkamų RF galios stiprintuvų projektavimas reiškia vienu metu derinti įvairiausias prieštaraujančias reikalavimų grupes. Temperatūros pokyčiai, gamybos nuokrypiai ir tiksliai nesutinkantys specifikacijoms komponentai gali viską išbalansuoti, jei jie neatsižvelgiama į projektavimo procesą.
RF galios stiprintuvų našumo ir efektyvumo pusiausvyra priklauso nuo tranzistorių nustatymo režimo ir įrenginio pasirinkimo. A klasės stiprintuvai užtikrina puikią tiesiškumą ir stiprinimą, tačiau jų efektyvumas yra žemas. AB ir B klasės stiprintuvai padidina efektyvumą, tačiau šiek tiek prarandama tiesiškumo ir stiprinimo. C klasės stiprintuvai pasižymi aukštu efektyvumu, tačiau jie netinka šiuolaikinėms programoms, pvz., 5G sistemoms.
PAE (papildomos galios naudingumo koeficientas) – tai rodiklis, naudojamas įvertinti RF stiprintuvų veiksmingumą, atsižvelgiant tiek į stiprinimą, tiek į efektyvumą. Jis ypač svarbus nustatant, kaip gerai galia konvertuojama iš įėjimo į išėjimą, ypač daugiapakopėse sistemose.
Parazitinė talpa ir induktyvumas, taip pat didelė šiluminė varža gali sukelti fazės iškraipymus, nepatinkamus impedansus ir sumažinti efektyvumą. Šie reiškiniai dar labiau sustiprėja dėl netinkamos spausdintosios plokštės (PCB) išdėstymo, dėl ko padidėja įterpimo nuostoliai ir blogėja našumas.
