ПЕЧАТНАЯ PCB - Что такое радиочастотный усилитель мощности?

Усилитель мощности - это устройство, которое может увеличить "что-то". Оно похоже на увеличительное стекло. Так что же оно увеличивает? Обычно оно увеличивает ток или напряжение, как показано на фотографии ниже:

Функция усилителя мощности

       Типы радиочастотных усилителей мощности

Кажется, трудно найти продукт, в котором усилитель используется как отдельный компонент, поскольку опытных инженеров, которые использовали бы дискретные усилители в своих разработках, становится все меньше. В большинстве продуктов, особенно в устройствах мобильной связи, большинство усилителей интегрированы в радиочастотные микросхемы (RF IC). Но все же существуют некоторые особые ситуации, такие как примеры, приведенные на фотографии. Это дискретные усилители, которые являются независимыми и неинтегрированными усилителями и обычно используются на конечном этапе цепи передатчика (a-e). Поскольку усилитель последней ступени при работе выделяет слишком много тепла, оно не может быть рассеяно, что может привести к повреждению микросхемы, поэтому для этого следует использовать независимый компонент – дискретный усилитель.

Несмотря на то, что большинство усилителей были интегрированы в микросхемы, в некоторых системах передачи большой мощности, таких как телекоммуникационные ретрансляторы и различные базовые станции в системах мобильной связи, по-прежнему используются дискретные усилители или модули, построенные на основе пар дискретных усилителей (как показано в примерах (f)—(k)). Это связано с тем, что для этих приложений требуется очень высокая мощность, что делает полную интеграцию непрактичной.

В последние годы даже мощные усилители стали более интеллектуальными. Это уже не просто усилители — теперь в них интегрированы схемы управления и сетевые интерфейсы (например, Ethernet), что позволяет устанавливать их непосредственно рядом с антенной на башнях базовых станций. Эти "умные" усилители функционируют скорее как компактные усилительные системы и широко известны как выносные радиоголовки (RRH). Они помогают снизить потери сигнала и повысить эффективность, что делает их ключевым компонентом современных систем мобильной связи.

Фотография блока усилителя мощности

        Идеальный усилитель прост — он просто усиливает входной сигнал с фиксированным коэффициентом. Например, если на входе имеется определенное значение, то на выходе это значение умножается на постоянную величину (например, в 2 или 3 раза). Это идеальное поведение показано на графике синей прямой линией. Однако на самом деле усилители не всегда работают идеально. В некоторых диапазонах они работают близко к идеалу, но в определенных точках выходной сигнал начинает отклоняться и больше не масштабируется пропорционально, что свидетельствует о нелинейном поведении. Это поведение в реальном мире показано на графике в виде красной кривой. Эта кривая более сложна, чем прямая, и может быть описана с помощью полиномов. Проще говоря, идеальный усилитель усиливает линейно, в то время как реальный усилитель иногда "искажает", и выходной сигнал не так предсказуем.

Сравнение типичных характеристик идеального и реального усилителей

      Почему возникают нелинейные проблемы?

      Нелинейные компоненты усилителя важны, потому что, когда простой синусоидальный сигнал проходит через нелинейный усилитель, на выходе появляется множество дополнительных частот, которых не было в исходном сигнале, — например, нежелательный шум, смешанный с чистым звуком. Эти дополнительные частоты влияют на качество сигнала и вызывают проблемы. Если вы не хотите вычислять их самостоятельно, вы можете воспользоваться онлайн-инструментами, которые помогут вам. Важно понимать, что нелинейные усилители генерируют эти нежелательные дополнительные частоты, которые нежелательны.

Нелинейное уравнение 1

Использование графиков упрощает понимание. В первой строке графика показана идеальная работа усилителя, в то время как в последней строке показаны эффекты после включения нелинейностей второго и третьего порядка, при которых на выходе появляются два дополнительных пика частоты, отсутствующих во входном сигнале. Во второй и третьей строках отдельно показано влияние нелинейностей второго и третьего порядка, что помогает наглядно проиллюстрировать, как генерируются эти дополнительные частоты.

Нелинейное уравнение 2

Как появляются дополнительные частоты?

Это можно увидеть, построив соответствующие математические формулы. При тестировании усилителя важно точно определить пики частоты, вызванные нелинейностью. При измерении с помощью анализатора спектра на выходе часто появляется много пиков, которых не было во входном сигнале. Некоторые из этих пиков вызваны нелинейностью усилителя, в то время как другие происходят из разных источников. Понимание характеристик нелинейности помогает распознать эти нежелательные частоты и найти их истинное происхождение.

Иллюстрация процесса генерации дополнительных частот

Когда на вход усилителя подается узкополосный или непрерывный волновой сигнал, нелинейность приводит к появлению дополнительных частот. Однако в большинстве случаев на вход поступает широкополосный модулированный сигнал, и наиболее заметным эффектом нелинейности является усиление помех соседним каналам, проявляющееся в ухудшении ACLR или ACPR, что, в свою очередь, влияет на качество сигнала и эффективность использования спектра.

       Как проявляется нелинейность?

       Нелинейность в усилителях, как правило, нежелательна, и, хотя ее невозможно устранить полностью, предпринимаются усилия по ее минимизации. Для измерения и контроля этих нелинейностей используются определенные параметры, которые описаны в техническом описании усилителя. Двумя наиболее распространенными параметрами являются точка пересечения третьего порядка (IP3) и точка сжатия 1 дБ, которые помогают определить уровень нелинейности и производительность усилителя.

      Как избежать нелинейных эффектов?

Хотя полностью устранить эту проблему невозможно, существуют различные способы ее устранения. Ниже приведены некоторые распространенные методы:

1. Замените усилитель

Для уменьшения нелинейности используйте усилитель с более широким линейным диапазоном. Однако это обычно приводит к увеличению стоимости, а в некоторых случаях такие компоненты могут даже отсутствовать.

2. Уменьшите мощность сигнала

Уменьшите мощность сигнала, чтобы усилитель работал в пределах своей линейной области. Но если амплитуда сигнала слишком велика и нет достаточного запаса, чтобы уменьшить ее, этот метод не сработает.

3. Добавьте фильтры

Разрешите усилителю создавать все нежелательные нелинейные искажения, а затем используйте дополнительные фильтры для устранения нежелательных частотных составляющих. Это также увеличивает стоимость, и поиск подходящих фильтров, способных обрабатывать усиленные сигналы высокой мощности, может оказаться сложной задачей.

4. Цифровое предварительное искажение (DPD)

Новая технология, применяемая в современных приложениях. В ней используются интеллектуальные алгоритмы для предварительной компенсации нелинейности усилителя и уменьшения искажений. Однако разработка правильного алгоритма предварительного искажения является сложной задачей.

Таким образом, каждый способ избежать нелинейности имеет свои плюсы и минусы, и подходящее решение зависит от конкретной ситуации.

Три решения

      Коэффициент усиления и КПД

      Функция усилителя заключается в том, чтобы принимать слабый входной сигнал и преобразовывать его в гораздо более мощный выходной сигнал — другими словами, он усиливает энергию. Эта дополнительная энергия не берется ниоткуда; она поступает от внешнего источника питания, который на принципиальных схемах обычно обозначается как "Vdd". Например, в мобильном телефоне Vdd подключен к аккумулятору, в то время как в более крупных системах, таких как базовые станции, Vdd подключен к внешнему источнику питания.

       Коэффициент усиления показывает, насколько усилитель усиливает входной сигнал — это отношение выходной мощности к входной и показывает уровень усиления. Коэффициент полезного действия - это количество энергии, которое усилитель использует для достижения этого усиления. Например, если два усилителя обеспечивают одинаковое усиление, но для этого одному требуется меньшее напряжение и ток, он считается более эффективным. Усилитель с низким КПД расходует больше энергии, и эта энергия обычно выделяется в виде тепла, что приводит к нагреву устройства.

Определение коэффициента усиления усилителя мощности