Радиочастотный усилитель мощности живет в жестких условиях. С одной стороны, ему нужно выдать максимальную мощность в антенну, превращая скромные милливатты возбудителя в десятки или сотни ватт излучения. С другой - любое отклонение от идеальной линейности порождает паразитные сигналы, которые загрязняют эфир и нарушают работу соседних каналов связи. Биполярные транзисторы, несмотря на растущую конкуренцию со стороны полевых приборов, продолжают удерживать позиции там, где требуется сочетание мощности, линейности и приемлемой стоимости.
Проблема кроется в самой природе транзистора. Его передаточная характеристика изначально нелинейна. Попытка получить максимальный КПД неизбежно толкает прибор в область компрессии, где усиление падает, а искажения растут. Разработчик оказывается перед выбором - либо высокий КПД с плохой линейностью, либо отличная линейность ценой потери половины энергии источника питания в виде тепла.
Интермодуляция третьего порядка как главный враг
Когда на вход усилителя подают один чистый синусоидальный тон, нелинейность проявляется через гармоники - сигналы на частотах 2f, 3f, 4f и так далее. Для узкополосных систем это не критично, поскольку все гармоники лежат далеко от рабочей полосы и легко подавляются фильтрами. Картина меняется при работе с многотональными или модулированными сигналами.
Пусть на вход поступают два тона с частотами f1 и f2, расположенные близко друг к другу. Нелинейность транзистора порождает комбинационные частоты вида m×f1 ± n×f2, где m и n - целые числа. Особую опасность представляют продукты третьего порядка на частотах 2f1-f2 и 2f2-f1. Они попадают в непосредственную близость от полезных сигналов, иногда прямо в рабочую полосу.
Для количественной оценки интермодуляционных искажений используют параметр IP3 - точку пересечения третьего порядка. Она вычисляется по формуле:
IP3 = Pout + (Pout - PIM3) / 2
где Pout - мощность основного тона на выходе, PIM3 - мощность интермодуляционного продукта третьего порядка.
Типичный маломощный RF-транзистор в схеме класса А демонстрирует выходную IP3 порядка +25...+35 дБм. Звучит неплохо, но при выходной мощности +20 дБм уровень интермодуляции окажется на уровне -40...-50 дБ относительно несущей. Для многих стандартов связи этого недостаточно - требуются значения -60 дБ и ниже.
Физический механизм возникновения интермодуляции связан с кривизной вольт-амперной характеристики транзистора. Ток коллектора зависит от напряжения база-эмиттер нелинейно и может быть разложен в степенной ряд:
Ic = a1×Vбэ + a2×Vбэ² + a3×Vбэ³ + ...
Квадратичный член a2 порождает продукты второго порядка (f1+f2, f1-f2). Кубический a3 отвечает за третий порядок. Чем больше коэффициент a3, тем хуже линейность. У биполярных транзисторов этот коэффициент зависит от рабочей точки и уменьшается при снижении тока коллектора, но одновременно падает и крутизна, что плохо для усиления.
Класс А против класса АВ
Усилитель класса А работает так, что транзистор проводит ток на протяжении всего периода сигнала. Рабочая точка выбирается посередине активной области, вдали от отсечки и насыщения. Такой режим обеспечивает наилучшую линейность, но КПД редко превышает 25-30%. Остальные 70% мощности превращаются в тепло на кристалле.
Класс АВ - компромисс между линейностью и эффективностью. Транзистор открыт больше половины периода, но меньше полного. КПД возрастает до 50-65%, однако линейность ухудшается. В области малых сигналов один транзистор двухтактной схемы почти закрыт, весь ток течет через второй. При переходе через ноль оба прибора находятся на границе отсечки, где передаточная характеристика особенно нелинейна.
Интермодуляция в классе АВ принципиально выше, чем в классе А. Разница может достигать 10-20 дБ при одинаковой выходной мощности. Для приложений, где критична чистота спектра - базовые станции сотовой связи, радиорелейные линии, системы цифрового телевещания - приходится либо мириться с низким КПД класса А, либо применять методы линеаризации.
Существует любопытный эффект - при очень малых токах коллектора линейность биполярного транзистора улучшается. Коэффициент β (отношение тока коллектора к току базы) достигает максимума в диапазоне 1-5 мА, потом снижается из-за эффекта Кирка и других паразитных явлений. Но работа на малых токах означает низкую выходную мощность, что неприемлемо для усилителя мощности.
Негативная обратная связь как первая линия защиты
Простейший способ улучшения линейности - охватить усилитель глубокой отрицательной обратной связью. Часть выходного сигнала подается обратно на вход с противоположной фазой. Результирующее усиление падает, но линейность возрастает пропорционально глубине ООС.
Коэффициент подавления искажений обратной связью выражается формулой:
Кподавления ≈ 1 + Ку×β_ос
где Ку - коэффициент усиления без ООС, β_ос - коэффициент передачи цепи обратной связи.
При глубине ООС 20 дБ интермодуляционные продукты ослабляются примерно на те же 20 дБ. Звучит заманчиво, но практическая реализация наталкивается на жесткие ограничения. Высокая глубина ООС требует большого запаса усиления, который съедается обратной связью. На высоких частотах появляются фазовые сдвиги в петле, которые могут превратить отрицательную связь в положительную - усилитель превратится в генератор.
Для RF-усилителей мощности на частотах выше 100 МГц глубина ООС редко превышает 6-10 дБ из-за проблем с устойчивостью. Этого недостаточно для достижения жестких норм по интермодуляции. Нужны более изощренные подходы.
Предыскажение сигнала на входе
Идея предыскажения проста и элегантна. Если усилитель мощности сжимает большие сигналы, внесем предварительное расширение - увеличим амплитуду входного сигнала для больших уровней. Когда расширенный сигнал пройдет через компрессию усилителя, искажения скомпенсируются.
Аналоговый предыскажатель представляет собой нелинейный четырехполюсник, который включается перед усилителем мощности. Его передаточная характеристика должна быть обратна к характеристике усилителя. На практике это реализуют с помощью диодов, работающих в нелинейном режиме, или дополнительного транзистора со специально подобранным смещением.
Амплитудная характеристика предыскажателя описывается выражением, противоположным характеристике усилителя. Если усилитель имеет функцию Vout = f(Vin), то предыскажатель должен реализовать Vin_корр = f⁻¹(Vin), где f⁻¹ - обратная функция.
Простейший предыскажатель на диодах использует их экспоненциальную вольт-амперную характеристику. При малых сигналах диоды почти не влияют на прохождение, при больших начинают открываться и увеличивают крутизну передачи. Подобрав точку смещения и номиналы резисторов, можно добиться улучшения линейности на 5-10 дБ.
Недостаток аналогового предыскажения - узкая полоса частот и сложность настройки. Характеристики транзистора усилителя мощности зависят от температуры, частоты, напряжения питания. Предыскажатель, настроенный для одних условий, теряет эффективность при изменении режима работы.
Цифровое предыскажение как вершина эволюции
Цифровое предыскажение (DPD - Digital Pre-Distortion) решает проблемы аналогового подхода, перенося коррекцию в область цифровой обработки сигналов. Идея в том, чтобы исказить цифровой сигнал еще до его преобразования в аналоговую форму и подачи на усилитель.
Типичная система DPD содержит несколько блоков. Цифровой модулятор формирует I и Q составляющие сигнала. Они поступают в блок предыскажения, где корректируются в соответствии с моделью нелинейности усилителя. Скорректированный сигнал идет на цифро-аналоговый преобразователь, затем на квадратурный модулятор и усилитель мощности. С выхода усилителя снимается проба сигнала, которая оцифровывается и анализируется. По результатам анализа параметры предыскажателя адаптивно корректируются.
Нелинейность усилителя моделируется полиномом или рядом Вольтерра. Для мгновенной (безынерционной) нелинейности используют степенной ряд:
y(t) = a1×x(t) + a3×x³(t) + a5×x⁵(t) + a7×x⁷(t)
Четные степени обычно опускают, так как в балансных схемах они взаимно компенсируются. Коэффициенты a1, a3, a5, a7 определяются по результатам измерений выходного сигнала при подаче тестовых последовательностей.
Реальный усилитель обладает памятью - его реакция в текущий момент зависит не только от мгновенного значения входа, но и от предыдущих значений. Эффекты памяти связаны с тепловыми процессами в кристалле, цепями питания, паразитными емкостями. Для их учета применяют полином с памятью:
y(n) = Σ Σ am,k × x(n-k) × |x(n-k)|^(m-1)
где суммирование ведется по порядкам m нелинейности и задержкам k.
Адаптивный алгоритм подстройки коэффициентов работает по принципу наименьших квадратов. Разность между желаемым и реальным выходным сигналом минимизируется путем итерационной корректировки параметров предыскажателя. Современные системы DPD обеспечивают подавление интермодуляции на 15-25 дБ по сравнению с линеаризованным усилителем.
Баланс мощности и линейности
Применение цифрового предыскажения позволяет эксплуатировать усилитель мощности класса АВ или даже АВ+ (на грани класса В) с высокой линейностью. КПД возрастает с 25% до 50-60%, что критично для базовых станций сотовой связи, потребляющих киловатты мощности.
Однако за все приходится платить. Сложность цифровой части возрастает. Нужен быстродействующий АЦП для оцифровки обратной связи, мощный процессор цифровой обработки сигналов для вычисления коэффициентов в реальном времени, прецизионный ЦАП на выходе. Задержки в петле обратной связи должны быть минимальны, иначе адаптация не успеет за изменениями характеристик усилителя.
Биполярные транзисторы в этом контексте демонстрируют преимущество перед полевыми. Их нелинейность более предсказуема и стабильна, модели третьего-пятого порядка описывают поведение с приемлемой точностью. Полевые транзисторы, особенно GaN, обладают более резкой нелинейностью, требуют полиномов высоких порядков, что усложняет адаптацию.
Существует предел эффективности предыскажения. Если попытаться довести усилитель до глубокого насыщения ради максимального КПД, величина коррекции становится огромной. Динамический диапазон ЦАП и АЦП оказывается недостаточным, квантование вносит дополнительные ошибки. Практический предел - работа усилителя с компрессией 1-2 дБ от номинальной мощности.
Особенности RF-транзисторов для линейных применений
Производители полупроводниковых приборов выпускают специализированные линии биполярных транзисторов, оптимизированных для высоколинейных усилителей. Такие приборы отличаются несколькими характерными особенностями.
Во-первых, топология кристалла. Вместо одного мощного эмиттера используют гребенчатую структуру из множества параллельных эмиттерных полосок. Это снижает сопротивление базы, уменьшает эффекты растекания тока, улучшает равномерность распределения плотности тока по площади кристалла. Результат - более линейная передаточная характеристика.
Во-вторых, легирование базы. Тонкая база с высоким уровнем легирования обеспечивает высокую граничную частоту fт, но ухудшает линейность из-за эффекта модуляции толщины базы (эффект Эрли). Компромисс достигается применением градиентного профиля легирования - концентрация примеси плавно меняется по толщине.
В-третьих, термостабилизация. Интермодуляция сильно зависит от температуры кристалла. Нагрев на 20-30 градусов может ухудшить IP3 на 3-5 дБ. Для мощных приборов применяют корпуса с медным основанием, иногда с интегрированным термоэлектрическим охладителем.
Граничная частота усиления fт современных кремниевых биполярных транзисторов для RF-применений достигает 10-30 ГГц. Гетеропереходные SiGe-транзисторы поднимают планку до 200-300 ГГц. Это позволяет строить линейные усилители для диапазонов от КВ до нескольких гигагерц с приемлемым запасом по частоте.
Измерение и контроль линейности
Оценка интермодуляционных характеристик требует специального измерительного оборудования. Классический метод - двухтональный тест. На вход усилителя подают два синусоидальных сигнала равной амплитуды с частотами f1 и f2, разнесенными на несколько килогерц или мегагерц. На выходе анализатором спектра измеряют уровни основных тонов и продуктов 2f1-f2, 2f2-f1.
Динамический диапазон по интермодуляции вычисляется как:
DR = 2/3 × (IP3 - MDS)
где MDS (Minimum Detectable Signal) - минимальный обнаруживаемый сигнал, ограниченный собственными шумами приемного тракта или измерительной аппаратуры.
Для широкополосных модулированных сигналов применяют другой критерий - ACPR (Adjacent Channel Power Ratio), отношение мощности в соседнем канале к мощности в основном. Усилитель с плохой линейностью создает расплывание спектра, энергия просачивается в соседние частотные слоты, создавая помехи другим пользователям.
Требования стандартов связи жесткие. Для базовых станций LTE норма ACPR составляет -45 дБ и ниже. Без предыскажения биполярный усилитель класса АВ дает типично -30...-35 дБ. С DPD удается достичь -50...-55 дБ, что обеспечивает запас относительно нормы.
Производственный контроль линейности - отдельная проблема. Измерение IP3 на каждом изделии занимает время, требует дорогого оборудования. Производители применяют статистические методы, измеряя выборку и контролируя воспроизводимость технологии. Критичные изделия проходят стопроцентный контроль, остальные - выборочный.
Будущее линейных биполярных усилителей
Конкуренция со стороны технологий GaN (нитрид галлия) и новых архитектур усиления нарастает. GaN-транзисторы обеспечивают более высокий КПД, работают на более высоких частотах, выдерживают большие напряжения. Но их нелинейность пока хуже, стоимость выше, надежность не всегда достаточна.
Биполярные транзисторы сохраняют нишу в диапазонах до 2-3 ГГц, где сочетание цены, линейности и зрелости технологии дает им преимущество. Базовые станции сотовой связи стандартов GSM, UMTS, LTE в диапазонах 900-2100 МГц, радиорелейные станции, профессиональная радиосвязь - области, где биполярники еще долго будут востребованы.
Развитие методов цифровой линеаризации продолжается. Появляются алгоритмы машинного обучения, которые моделируют нелинейность усилителя без явного задания математической модели. Нейронные сети обучаются на реальных данных, строят предыскажатель адаптивно. Первые результаты показывают улучшение на 2-3 дБ по сравнению с классическими полиномиальными моделями.
Интеграция усилителя мощности с цифровой частью на одном кристалле - еще одно направление. Полная система передатчика, от цифрового модулятора до RF-выхода, размещается в корпусе размером с монету. Такие решения находят применение в компактных устройствах - фемтосотах, точках доступа Wi-Fi, носимой электронике.
Линейность остается одним из ключевых параметров, определяющих качество радиосистемы. Каждый лишний децибел подавления интермодуляции позволяет плотнее упаковать каналы в спектре, повысить скорость передачи данных, увеличить дальность связи. Биполярные транзисторы, пройдя путь от германиевых точечных приборов 1950-х до современных наноразмерных SiGe-структур, доказали свою жизнеспособность. Понимание механизмов нелинейности и владение методами ее компенсации отделяют компетентного разработчика от дилетанта, а работающую систему связи - от груды неработающего железа.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube