CC BY
124
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ OFDM СИГНАЛОВ ДИАПАЗОНА УВЧ С ДЕЛЬТА-СИГМА МОДУЛЯТОРОМ
Варламов О.В., к.т.н., Московский технический университет связи и информатики, vov@mtuci.ru Чугунов И.В., Московский технический университет связи и информатики, rfdesign@rambler.ru
Ключевые слова:
интеллектуальный агент, усилитель мощности, дельта-сигма модуляция, OFDM, класс D, энергетическая эффективность.
?
О л л С
Дельта-сигма модуляция как один из методов построения линейных усилителей мощности радиочастотных сигналов с использованием нелинейных компонентов позволяет существенно упростить структуру мощного усилительного тракта, который в этом случае должен работать как однобитный ЦАП. Проведено предварительное моделирование различных потенциально возможных вариантов построения выходного каскада в классах E, F, D (с переключением напряжения и с переключением тока), а также с базовой амплитудной ключевой модуляцией. Показано, что необходимая линейность амплитудной характеристики может быть реализована только в ключевом усилителе класса D с переключением напряжения. Такой усилитель может быть построен по мостовой или полумостовой схемам. Результаты моделирования показали возможность реализации на современной элементной базе (LDMOS) ключевого усилителя класса D с переключением напряжения на частоте 450 МГц с выходной мощностью 100 Вт в однотоновом режиме с КПД выходного каскада 80% и PAE 73%. На основании моделирования совместной работы ключевого усилителя класса D с дельта-сигма модулятором приводятся энергетические характеристики цифрового усилителя мощности при различных уровнях входного сигнала. Рассматриваются причины недоиспользования пиковой мощности усилителя класса D при работе с дельта-сигма модулятором. Показано, что для OFDM сигнала с пик-фактором 10 дБ средний КПД усилителя с учетом мощности, потребляемой предоконечным каскадом, составляет 11%. Уровень комбинационных искажений на двухтоновом сигнале не превышает -36 дБ. Обсуждается возможность повышения среднего КПД при усилении сигналов с большим пик-фактором на перспективных GaN HEMT транзисторах. Показано, что при анонсированном снижении выходной емкости транзисторов в 5 раз (по сравнению с LDMOS технологией) достижимы значения КПД выходного каскада 55% и PAE 38%, что превышает параметры существующих решений и свидетельствует о перспективности продолжения исследований данной технологии построения усилителей мощности.
Введение
Дельта-сигма модуляция (ДСМ) широко известна как один из методов построения линейных усилителей мощности радиочастотных сигналов с использованием нелинейных компонентов [1]. Она позволяет существенно упростить структуру мощного усилительного тракта, который в этом случае должен работать как однобитный ЦАП. В отличие от ключевого усилителя мощности, построенного по методу раздельного усиления [2], содержащего высокочастотный тракт с фильтром гармоник [3] и ключевой модулятор [4], усилитель с ДСМ содержит только ключевой радиочастотный тракт с узкополосным выходным фильтром. При этом длительность импульсов возбуждения меняется дискретно, принимая всего несколько значений, что позволяет использовать данный метод усиления на частотах до 1000 МГц и более - в отличие от метода «ВЧ-ШИМ» с плавной регулировкой длительности возбуждающих импульсов. Однако известные до настоящего времени реализации этого метода, в частности [1], в основном ограничивались малыми (менее 1 Вт) мощностями.
В данной статье рассматривается возможность построения мощного ключевого генератора, способного работать в качестве оконечного каскада усилителя мощности с ДСМ на несущей частоте 450 МГц с OFDM сигналом с шириной полосы 5 МГц. Проведенное предварительное моделирование различных потенциально возможных вариантов построения выходного каскада в классах E, F, D (с переключением напряжения и с переключением тока), а также с базовой (затворной) амплитудной ключевой модуляцией, показало, что необходимая линейность амплитудной характеристики может быть реализована только в ключевом усилителе класса D с переключением напряжения. Такой усилитель может быть построен по мостовой или полумостовой схемам.
Энергетические характеристики
ключевого генератора
В целях проведения настоящего исследования рассматривалась двухтактная схема ключевого генератора с переключением напряжения с параллельным питанием - как более удобная для практической реализации и имеющая меньшие паразитные емкости элементов на землю по сравнению со схемой с последовательным питанием. Необходимое для работы схемы с параллельным питанием закорачивание четных гармоник осуществлялось отрезками четвертьволновых линий.
Результаты проведенного моделирования схемы на транзисторах MRF9060 показали возможность реализации на современной элементной базе (LDMOS) ключевого усилителя класса D с переключением напряжения на частоте 450 МГц с выходной мощностью 100 Вт в однотоновом режиме с КПД выходного каскада 80% и PAE 73%.
Энергетические характеристики
усилителя с ДСМ
Проведенные исследования энергетических характеристик ключевого генератора, работающего совместно с дельта-сигма модулятором, показало, что такой метод усиления характеризуется недоиспользованием выходной мощности ключевого усилителя на величину около 5 дБ. Соответственно, несколько снижается и максимальное значение КПД. Статические энергетические характеристики усилителя с ДСМ на однотоновом сигнале приведены на рис. 1. Как видно их рис. 1, КПД с уменьшением выходной мощности снижается достаточно быстро, что сопоставимо с характеристиками линейного усилителя, работающего в классе АВ. Данный эффект имеет достаточно простое объяснение. Коммутативные потери в транзисторах, связанные с перезарядом их выходных емкостей, зависят от количества переключений в единицу времени. При уменьшении выходной мощности частота переключений увеличивается, и коммутативные потери растут, что и приводит к резкому снижению общего КПД. При этом линейность амплитудной характеристики находится на достаточно высоком уровне. В частности, анализ работы схемы на двухтоновом равно амплитудном сигнале показал, что комбинационные искажения не превышают величины минус 36 дБ относительно каждого тона.
Энергетические характеристики УМ с ДСМ на однотоновом сигнале
Рис. 1. Энергетические характеристики усилителя мощности с ДСМ на однотоновом сигнале
При рассмотрении общего КПД усилителя мощности (РАЕ) следует учитывать не только потребление мощности оконечным каскадом, но и мощность, потребляемую предоконечным каскадом усиления. Следует отметить, что даже при усилении минимального по уровню выходного сигнала, мощность предоконечного каскада остается постоянной, что является необходимым для работы выходных транзисторов в ключевом режиме.Данное обстоятельство еще более снижает ре-
зультирующие энергетические характеристики усилителя с ДСМ при работе с современными телекоммуникационными сигналами с пик-фактором около 10 дБ, в частности, с OFDM сигналом. При учете возможной регулировки максимальной выходной мощности КПД уменьшается еще сильнее.
Таким образом, несмотря на то, что показана возможность реализации собственно ключевого генератора с высоким КПД, его работа в составе усилителя мощности с ДСМ характеризуется достаточно низким энергетическими показателями. Учитывая недоиспользование выходной мощности и пик-фактор сигнала, даже при использовании «очень хорошего» генератора класса D (с КПД 80%), КПД усилителя с ДСМ на OFDM сигнале составляет 10,9%, что сопоставимо с линейным усилителем в классе АВ. Данное обстоятельство может направить разработчиков высокоэффективных УМ на рассмотрение иных перспективных способов построения усилителей, например, на метод автоматической регулировки режима (АРР) [5-6].
Тем не менее, полученные, на первый взгляд, негативные результаты, не позволяют однозначно говорить о не перспективности продолжения исследований в данном направлении. Традиционное проектирование ключевых генераторов предусматривает примерное равенство двух основных компонент потерь: коммутативных (Pk = 2fCDSU2) и потерь на сопротивлении насыщения транзисторов. В рассматриваемом усилителе с ДСМ при снижении мощности переключения происходят более часто, вследствие чего вклад коммутативных потерь становится преобладающим. В этой ситуации становится перспективным рассмотрение
Энергетические характеристики УМ с ДСМ на транзисторах разных технологий в различных режимах работы (прогноз)
- П -
-1
1
_ГЪ 1 1
OFDM-20 OFDM-10 OFDM Max CW(D-S) CW (square) dB dB Power
■ LDMOS КПД OK □ LDMOS РАЕ
□ GaN HEMT С/5 КПД OK BGaN HEMT С/5 РАЕ
□ GaN HEMT С/10 КПД OK nGaN HEMTC/10 РАЕ
Рис. 2. Энергетические характеристики усилителя мощности с ДСМ на транзисторах различных технологий в различных режимах работы (С/5 и С/10 - уменьшение выходных емкостей НЕМТ транзисторов по сравнению с ЬБМОБ в 5 и 10 раз, КПД ОК - КПД оконечного каскада, РАЕ - КПД всего усилителя)
использования в качестве активных элементов мощного ключевого усилителя транзисторов, выполненных по GaN-HEMT (Gallium Nitride -High Electron Mobility Transistor) технологии. Они имеют выходную емкость (CDS) в 5.. .10 раз меньше по сравнению с аналогичными по мощности компонентами LDMOS технологии, и в настоящее время перешли в стадию промышленного выпуска. Пересчитанные для данных параметров энергетические характеристики усилителя мощности с ДСМ приведены на рис. 2.
Как видно из рис. 2, высокочастотные GaN-HEMT транзисторы могут обеспечить гораздо более высокие показатели рассматриваемого усилителя с ДСМ. Так, при уменьшении выходной емкости в 5 раз, рассматриваемый способ построения усилителя мощности становится более эффективным, чем усилитель в классе АВ (38% PAE).
Заключение
Проведенное исследование энергетических характеристик цифрового усилителя мощности OFDM сигналов диапазона УВЧ с дельта-сигма модулятором показало, что при использовании последнего поколения GaN-HEMT транзисторов данный способ построения высокоэффективных усилителей мощности может успешно конкурировать с другими методами. По мере появления доступных для симуляции моделей продолжение исследований следует считать целесообразным.
Литература
1. Hung T., Rode J., Larson L., Asbeck P. Design of H-bridge class-D power amplifiers for digital pulse modulation transmitters, // IEEE Trans. on microwave theory and techniques, VOL. 55, NO. 12, pp. 2845-2855, December 2007.
2. Варламов О.В., Громорушкин В.Н., Лаврушенков В.Г. Разработка коротковолнового ключевого усилителя мощности с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2011. № 9. С. 42-44.
3. Громорушкин В.Н. Разработка фильтра гармоник для коротковолнового ключевого передатчика // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2014. № 10. С. 20-23.
4. Варламов О.В. Разработка высокоэффективного модуляционного тракта для ВЧ усилителя мощности с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2011. № 9. С. 45-46.
5. Смирнов А.В., Горгадзе С.Ф. Принципы повышения эффективности усиления сигнала с большим пик-фактором // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2013. № 9. С. 132-144.
6. Буренин А.Н., Легков К.Е., Нестеренко О.Е. К вопросу построения систем управления современными инфо-коммуникационными сетями специального назначения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2013. № 6. С. 22-28.
MODELING OF EFFICIENCY OFDM UHF DIGITAL POWER AMPLIFIER WITH DELTA-SIGMA MODULATOR
Varlamov O., Ph.D., Moscow Technical University of Communications and Informatics, vov@mtuci.ru Chugunov I.,
Moscow Technical University of Communications and Informatics, rfdesign@rambler.ru
Abstrae
Delta-sigma modulation is a method of constructing the radio frequency linear power amplifier with the using non-linear components. It can significantly simplify the structure of the power amplification path, which in this case shall operate as one-bit DACs. The preliminary modeling of potential different variants of the output stage in classes E, F, D (voltage switching and current switching) and the pulsed gate modulation was done. It is shown that the required linearity of amplitude characteristic can be realized only in the class D amplifier with voltage switching. Such an amplifier can be constructed in a bridge or half-bridge circuits. The simulation results show possibility of realization using modern components (LDMOS) Class D amplifier with voltage switching at 450 MHz with a power output of 100 watts in CW mode with output stage efficiency of 80% and 73% PAE. In the present article based on the modeling of work together Class D amplifier with a delta-sigma modulator shows the efficiency characteristics of the digital power amplifier at various levels of the input signal. Considers the reasons of peak power Class D amplifier underutilization when delta-sigma modulator using. It is shown that for OFDM signal with crest factor of 10 dB, the average efficiency of the amplifier with the power consumption of driver stage is 11%. The level of intermodulation distortion on the two-tone signal is less than -36 dB. We discuss
the possibility of increasing the average efficiency of the amplification of signals with high crest factor on promising GaN HEMT transistors. It is shown that for the announced reduction of the output capacitance of transistors 5 times (compared to LDMOS technology) can be achieved efficiency values of the output stage 55% and 38% PAE. This exceeds the parameters of the existing solutions and motivate of continuing research into this promising technology for building power amplifiers.
Keywords: power amplifier, delta-sigma modulation, OFDM, class D, power efficiency.
References
1. Hung, T, Rode, J, Larson, L & Asbeck, P 2007, 'Design of H-bridge class-D power amplifiers for digital pulse modulation transmitters', IEEE Trans. on microwave theory and techniques, vol. 55, no. 12, pp. 2845 -2855.
2. Varlamov, O, Gromorushkin, V & Lavrushenkov, V 2011, 'Development of shortwave SSB switching power amplifier with envelope elimination and restoration', T-Comm, no. 9, pp. 42-44. [in Russian]
3. Gromorushkin, V 2014, 'Development of harmonic filter for shortwave switching transmitter', T-Comm, 2014, no. 10, pp. 20-23. [in Russian]
4. Varlamov, O 2011, 'Development of high-efficiency modulation path for SSB RF power amplifier with envelope elimination and restoration', T-Comm, no. 9, pp. 45-46. [in Russian]
5. Smirnov, A & Gorgadze, S 2013,'Principles for improving the amplification efficiency of signal with high crest factor', T-Comm, no. 9, pp. 132-144. [in Russian]
6. Burenin A.N., Legkov K.E., Nesterenko O.E. To a question of creation of control systems of the modern infocom-munication networks of a special purpose // H&ES Research. 2013. No.6. Pp. 22-28.
Ссылки для цитирования статьи / References for citation
Варламов О.В., Чугунов И.В. Исследование энергетических характеристик цифрового усилителя мощности OFDM сигналов диапазона УВЧ с дельта-сигма модулятором //Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. Т. 7. № 2. С. 30-33.
Varlamov O., Chugunov I. Modeling of efficiency OFDM uhf digital power amplifier with delta-sigma modulator. H&ES Research. 2015. Vol. 7. No. 2, рр. 30-33.
