Nästa stora steg i utvecklingen av RF-slutsteg är att använda switchteknik. Det har man talat om länge, men det finns många problem att lösa och nya kommer till i takt med nya upptäckter. Under konferensen SSoCC gav Henrik Sjöland, professor vid institutionen för elektro- och informationsteknik vid Lunds Universitet (LU), en insikt i den pågående forskningen.

Henrik Sjöland berättade om det arbete inom arkitekturer för sändare i switchmodteknik han har utfört, tillsammans med Carl Bryant (LU), Vandana Bassoo och Mike Faulkner (De två senare från Viktoriauniversitetet i Melbourne, Australien). De står tillsammans som författare till det kapitel (nr 18) som tar upp switchade radioslutsteg i boken Analog Circuit Design, utgiven av Springer 2010 och föredraget under SSoCC byggde på detta.
Nya standarder för mobiltelefoni utvecklas mot allt mer komplexa modulationsformer och ökad signalbandbredd. Att konstruera radioslutsteg med hög verkningsgrad för dessa är den största utmaningen. Det finns en rad olika arkitekturer för switchade slutsteg. Sådana slutsteg kan gå i klass E, F (eller inverterad klass F) eller klass D.
Problemet är att modulera dessa slutsteg eftersom de i grunden ger konstant utsignal. Slutstegets transistor fungerar i det ideala fallet som en switch som antingen är öppen (ingen ström) eller sluten (ingen spänning över den). Svårigheten är att uppnå dessa ideala tillstånd och att modulera utsignalens envelop.
Henrik Sjöland presenterade några varianter för att åstadkomma modulering:
* Modulation av matningsspänningen. Här gäller det att uppnå tillräcklig snabbhet i DC/DC-omvandlaren som modulerar matningen. Ripplet från DC/DC-omvandlingen är också en känslig punkt. När slutsteget matas med olika spänning kommer dess förstärkning och fas att ändras, vilket påverkar resultatet, och dessutom fungerar inte slutsteget under en viss spänning.
* Ett slutsteg i klass D skulle kunna pulsbreddmoduleras. Modulatorn arbetar då vid radiofrekvens och skapar en bärvåg med varierande pulsbredd. Men det är svårt att skapa ett linjärt förhållande mellan modulerande signal och pulsbreddmodulering i pulsbreddsmodulator och slutsteg. Problem uppstår vid låga uteffekter där extremt korta pulser måste skapas. Dessutom arbetar slutsteget kontinuerligt med full matningsspänning vilket ger höga switchförluster. Generellt sett ger detta problem med verkningsgraden.
* LINC, LInear amplification using Nonlinear Components, är en arkitektur där två slutsteg kopplas samman med en combiner. Slutstegen drivs med och levererar konstanta signalnivåer. Genom att låta modulationssignalen styra faslägena mellan dem kommer de summerade vektorerna att åstadkomma en varierande utamplitud. Svagheterna i metoden ligger i att det krävs hög noggrannhet vid låga amplituder, att slutstegen ser en starkt varierande impedans och att combinern ger förluster. Dessutom blir verkningsgraden låg vid låga amplituder.
* On/off burst-modulation. Slutsteget levererar skurar av vågformer där skurarnas varaktighet i slutänden påverkar envelopen. Skuren kan antingen levereras till slutsteget med hjälp av en delta-sigma-modulator, eller drivs slutsteget av en pulsbreddsmodulator (ekvivalent med att använda en ofiltrerad DC/DC-omvandlare). Metoden kräver RF-bandpassfilter med branta flanker.
* Lastmodulation. I detta fall moduleras ett anpassningsnät på slutstegets utgång. Varierande antennimpedans skapar problem liksom att slutsteget känner en varierande impedans. Att få god linjäritet och ett tillräckligt avstämningsområde är krävande uppgifter att lösa beträffande impedansavstämningen.
* LINC och PWM. Teknikerna har likheter i det att man i LINC summerar signaler från två slutsteg. Men i stället för att summera två RF-signaler i en combiner kan man med pulsbreddsmodulerad teknik, PWM, summera två digitala, med modulationssignalen fasförskjutna, signaler i en OCH-grind.
* Polära arkitekturer innebär att man skiljer på fas- och amplitudmodulation. Fasmodulationen påverkar RF-signalen till slutsteget och amplitudmodulationen sker genom en styrd DC/DC-omvandlare för slutstegets spänningsmatning. Alla modulationsteknikerna ovan kräver en polär arkitektur. En nackdel med detta är att bandbredden på signalerna kan bli stor.
* PWM + matningsspänningsmodulation ger hög verkningsgrad över hela effektområdet. Metoden sänker samtidigt kraven på bandbredd hos DC/DC omvandlaren.
* För att få ytterligare reduktion av envelopbandbredden kan PWM och matningsspänningsmodulation kombineras med filter.
* Cartesisk arkitektur. Genom att undvika den olinjära transformeringen från cartesiska till polära koordinater uppstår ingen bandbreddsexpansion, vilket är speciellt viktigt i bredbandiga system. Lämpliga arkitekturer är kvadratur-PWM eller dubbel LINC. Med kvadratur PWM används två PWM-modulatorer, I och Q. Två pulser per RF-cykel ger höga switchförluster och pulserna blir dessutom korta vid passage av I- och Q-axlar. Fördelen är att det bara behövs en RF-effektförstärkare och därför inga combiners.
Dubbel LINC kräver en combiner med ingångar från fyra slutsteg. Nackdelarna är switchförluster, förluster i combinern, fasberoende belastningsimpedanser för PA och lägre maxeffekt. Fördelen är att inga korta pulser skapas då I- och Q-axlarna passeras.
* Digitala delta-sigma-arkitekturer har fördelarna av en digital implementering där klockflankerna kan ske vid väldefinierade tidpunkter. Nackdelen är kvantiseringsbruset. Som arkitektur kan användas bandpass delta-sigma-omvandlare med klockfrekvens 4×RF. Den höga switchfrekvensen ger förluster.
* För att minska förlusterna kan i stället användas PWM/PPM med filtrering i Cartesiska domänen.
Henrik Sjölands slutsats var att bland många tänkbara arkitekturer uppnådde man högsta verkningsgrad genom att kombinera modulation av matningsspänningen med PWM och att undvika onödig switchning.
För applikationer där stor bandbredd krävs kan man använda Cartesiska arkitekturer som kvadratur-PWM eller dubbel LINC. Om god filtrering kan åstadkommas är också delta-sigma ett alternativ.

Filed under: Teknikartiklar