×
Начин на који су транзистори пристрасни заиста поставља сцену како УР појачачи снаге уравнотежују добитак против ефикасности. Почнимо са операцијом класе А која даје одличну линеарност и пристојни добитак око 10 до 20 дБ. Али постоји улов овде пошто ови појачачи раде само на 20 до 30% ефикасности јер воде континуирано. Када се инжењери крећу према конфигурацијама класе АБ или Б, смањују тај мирног струја, гурајући ефикасност до негде између 50 и 70%. Међутим, ово долази са неким недостацима јер линеарност пада и добитак узима мали ударац. Затим стижемо до класе Ц где ефикасност прелази 60%, али искрено, једноставно не функционише довољно добро за данашње потребе. Компромиси у добитку и линеарности чине класу Ц неодговарају за модерне апликације као што су 5Г нови радио системи који захтевају много боље карактеристике перформанси.
Избор технологије уређаја заиста утиче на ову равнотежу између перформанси и практичности. Узмите транзисторе са галијум нитридом (ГАН), на пример, они побеђују традиционалну ЛДМОС технологију када фреквенције пређу 3 ГГц. То се дешава зато што ГаН нуди бољу ефикасност и спакује више енергије у мање просторе. Зашто? -Не знам. Електрони се брже крећу кроз ГаН материјале и могу да се носе са већим напонима пре него што се разбијају. Али постоји уловка да ГаН не управља топлотом као други материјали, па инжењери морају да се више размишљају о томе како се ове компоненте хладе. Гледајући у стварне примене, већина високомоћних ћелијских базаских станица сада укључује ГаН транзисторе у таквим конфигурацијама класе АБ. Ове поставке обично постижу око 60% ефикасности појачачача снаге са повећањем сигнала од око 30 дБ. У међувремену, произвођачи потрошачке електронике са свешћу о буџету имају тенденцију да се држе побољшаних верзија ЛДМОС технологије у различитим дизајнима за трговање где је цена и даље примарна брига.
Ефикасност додате енергије (ПЕЕ)опредељена као (П излази П у )/П ДЦ је дефинитивна метрика за процену ефикасности реалног РФ појачачача снаге. За разлику од ефикасности ЦЦ-у-РФ (· ДЦ ), ПАЕ представља добитак, што га чини неопходним за вишестепене системе где је потрошња снаге у стадијуму возача важна. На пример:
Високи PAE дизајн је постао стандардан у 5G макро ћелијској инфраструктури ових дана. Када ПАЕ прелази 50%, заправо смањује и топлотну оптерећење и трошкове енергије за око 30% у поређењу са старијим системима. Тршки део долази када покушавате да максимизујете ПЕЕ, док одржавате добру линеарност. Инжењери се обично обраћају техникама као што су праћење коверте или дигитално пре-искривење како би избалансирали ствари, иако ови приступи дефинитивно компликовају дизајн система. Са све већом потражњом за бољом спектралном ефикасношћу на фреквенцијама изнад 6 ГГц и у ммВаве опсеговима, ПЕЕ и даље је најпоузданија метрика за мерење како се ефикасно енергија претвара из улаза у излаз у реалним апликацијама.
Када оптимизујемо за импеданцу оптерећења (Злопт), добијамо максималну излазну снагу и ефикасност, али само на тој специфичној фреквенцији. Широкопојасни системи као што је 5G NR се суочавају са проблемима јер ова врста уског фокуса не функционише добро са потребом за добром линеарношћу преко широких опсегова. Гледајући податке о повлачењу оптерећења открива се нешто занимљиво о овим импедансама које нам дају врху ефикасности. Они имају тенденцију да погоршају однос снаге суседног канала (АЦПР) за око 5 до 8 ДБ када се користе преко неколико носилаца или различитих фреквенционих опсега. Зашто се то дешава? Па, широкопојасне мере за спајање морају да жонглирају компромисима преко бројних фреквенција, док је Цлопт све о удара на то слатка тачка у само једној тачки. Због овог изазова, инжењери често одустају од око 10 до 15 посто пик ефикасности само да би величину вектора грешке задржали испод 3% и задовољили тешке ACLR спецификације у поставкама са више носилаца.
Присуство паразитарне капацитанце и индуктанце постаје велики проблем за кола која раде изнад 2 ГГц фреквенција. Индуктивност жица за везу често прелази 0,5 нанохенрије на милиметар, што ствара проблеме фазног искривљења и неисправне импеданце широм плоче. Истовремено, када топлотни отпор од споја до окружења прелази око 15 степени Целзијуса по вату у системима које нису правилно хладне, полупроводнички штампач постаје прегрејан. Ово натпуњење топлоте значајно смањује мобилност носача и може довести до губитка ефикасности од око 20% када се ради на максималној снази. Сви ови проблеми се погоршавају са лошим распоредом плоча штампаних кола, где се путеви сигнала нису оптимизовани и компоненте се постављају без разматрања њихових топлотних интеракција.
У 5G појачачима велике снаге, такво деградација изазвана распоредом може смањити излазну снагу за 3 дБ и погоршање спектралног раста. Ублажавање захтева ко-оптимализацију:
| Фактор дизајна | Утицај на деградацију | Приступа оптимизације |
|---|---|---|
| Контрола паразита | Смањење промјености > 15% | Скраћени међусобно повезивање, флип-чип паковање |
| Тхермално управљање | Пад ефикасности ~ 20% | Термални путеви, директно повезане бакарне супстрате |
| Кружњаци струје | Ерозија марже стабилности | Звездни заземљавање, минимизовани повратни путеви |
Проактивна ко-симулација електромагнетних и топлотних модела током распореда, а не корекција након распореда, осигурава снажне перформансе у окружењу и оперативним екстремима.
Добивање добре перформансе из УФ појачачача снаге се заправо свезује на решавање три главна проблема који су некако повезани: осигурање да ствари остану стабилне, спречавање нежељених осцилација и одржавање линеарних сигнала када би требало да буду. Оне досадне осцилације се обично дешавају због повратних петљица које нисмо планирали или промена импеданце дуж путања сигнала. Када се то деси, ствара додатну буку у спектру, крши прописе које су поставили организације као што су ФЦЦ и ЕТСИ, а у најгорем случају може да се компоненте топле од прегревања. Други велики изазов је одржавање линеарних сигнала док се бавите променљивим оптерећењима. Потребно је пажљиво контролисати колико снаге применимо и правилно управљати хармоникама како би се смањиле интерференције између сигнала. Ово постаје још критичније у системима који истовремено обрађују више сигнала, где испуњавање стандарда АЦЛР одређује да ли цели систем пролази регулаторне тестове или не.
Уколико се остварују ови циљеви, потребно је темељно проверити пре него што се изложи дизајн. Анализа К-фактора и му-фактора помаже у откривању места где ствари могу постати нестабилне, а тестови активног вучења оптерећења показују проблемне тачке на различитим фреквенцијама, нивоима снаге и температурима. Када компаније прескоче ове кораке, мали проблеми као што су проблеми са фазом буке или повремене осцилације могу проћи кроз лабораторијске тестове само да се појаве касније када су производи већ у пољу. То доводи до скупих поправки и лошег штампе нико не жели. Проектирање одговарајућих АФ ампера за индустрију значи да се истовремено треба да се задовољавају све врсте супротних захтева. Термичке промене, производње варијација, и делове који нису баш спецификације могу све избалансирати ако се не правилно рачуна у процесу дизајна.
Баланс између добитка и ефикасности у појачачима ФК снаге зависи од пристрасности транзистора и избора уређаја. Ујачивачи класе А нуде одличну линеарност и добитак, али имају ниску ефикасност. Класе АБ и Б побољшавају ефикасност на трошков одређене линеарности и добитка. Класа Ц нуди високу ефикасност, али није погодна за модерне апликације као што су 5Г системи.
ПАЕ (Ефикасност додате снаге) је метрика која се користи за процену ефикасности РФ појачачавача узимајући у обзир и добитак и ефикасност. То је од кључне важности у одређивању колико је моћ конвертована из улаза у излаз, посебно у вишестепеним системима.
Паразитна капацитанца и индуктанца, као и висока топлотна отпорност, могу довести до фазног искривљења, неисправних импеданци и смањења ефикасности. Ови ефекти су увећани лошим распоредом ПЦБ-а, повећањем губитка уноса и смањењем перформанси.
