Browsing by Author "Bräckle, Alexander"

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Versorgungsspannungsmodulation von Hochfrequenz-Leistungsverstärkern
(2013) Bräckle, Alexander; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
Moderne Kommunikationssysteme erlauben die Übermittlung immer höherer Datenraten. Wegen der begrenzten Frequenzressourcen kommen höherwertige Modulationsverfahren zum Einsatz, durch die das Verhältnis der Spitzen- zur Durchschnittsleistung anwächst. Die Effizienz von Leistungsverstärkern in Hochfrequenzsendern geht für geringere Ausgangsleistungen zurück. Daher sinkt die Effizienz bei modernen Mobilfunkstandards. Eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung ist die Versorgungsspannungsmodulation. Dabei wird die Drainvorspannung des Verstärkers dynamisch an die Ausgangsleistung angepasst. Zentrales Element ist ein Spannungsmodulator, der für die Einstellung der Versorgungsspannung verantwortlich ist. Diese Arbeit stellt verschiedene Konzepte für Modulatorschaltungen vor und vergleicht deren Einfluss auf das System. Ferner wird untersucht, ob die zusätzliche Anpassung der Gatevorspannung des Transistors die Linearität verbessert. Es werden zwei Verstärker der Klassen AB und F entworfen. Der Klasse-AB-Verstärker erreicht eine maximale Ausgangsleistung von 41 dBm und eine Effizienz von 60 % bei der Mittenfrequenz 2,75 GHz. Beim Klasse-F-Verstärker werden bei der Betriebsfrequenz 2,65 GHz die Ausgangsleistung 42 dBm und eine Effizienz von 61 % gemessen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung und dem Vergleich verschiedener Schaltungskonzepte für die Spannungsmodulatoren zur dynamischen Einstellung der Drainvorspannung. Der Linearmodulator basiert auf einem Emitterfolger. Prinzipbedingt ist damit keine Effizienzsteigerung möglich. Bei Ansteuerung mit einem LTE-Signal der Bandbreite 20 MHz verringert sich das Verhältnis der Nachbarkanalleistungen im Vergleich zum Betrieb mit konstanter Versorgungsspannung um 5 dB bis 10 dB. Der Betrag des Fehlervektors erhöht sich von rund 9 % auf 16 % beim Klasse-AB-Verstärker und von 4 % auf 5 % beim Klasse-F-Verstärker. Beim Buck-Modulator wird die Ausgangsspannung erzeugt, indem zwischen zwei diskreten Spannungen umgeschaltet und das entstehende Rechtecksignal gefiltert wird. Die Schaltfrequenz muss dabei deutlich über der Bandbreite der Ausgangsspannung liegen. In der Praxis treten aufgrund der hohen Schaltfrequenzen Umladeverluste auf. Daher ist der Buck-Modulator nur bedingt für den Einsatz bei der Versorgungsspannungsmodulation in breitbandigen Systemen geeignet. Der in dieser Arbeit realisierte Modulator weist eine Schaltfrequenz von 8 MHz und ermöglicht eine Effizienzsteigerung des Gesamtsystems mit dem Klasse-AB-Verstärker um 5 % im statischen Betrieb. Beim mehrstufigen Buck-Modulator werden weitere Spannungsstufen eingefügt, was zu geringeren Schaltverlusten führt. Dies wird an einem dreistufigen Modulator gezeigt, durch den bei einer Schaltfrequenz von 8 MHz die Effizienz des Klasse-AB-Verstärkers im statischen Betrieb um 6 % gesteigert werden kann. Der Klasse-G-Modulator kann am Ausgang nur zwei diskrete Versorgungsspannungen zur Verfügung stellen. Der Hochfrequenz-Verstärker arbeitet dadurch nicht immer in seinem effizientesten Betriebspunkt, doch die Modulatoreffizienz ist deutlich höher als bei den anderen betrachteten Konzepten. In dieser Arbeit lässt sich die Effizienz des Klasse-AB-Verstärkers bei Ansteuerung mit einem LTE-Signal von 22 % auf 38 % erhöhen, beim Klasse-F-Verstärker steigt sie von 20 % auf 32 %. Dies geht mit einer bezogen auf den Linearmodulator sinkenden Linearität einher. Wie beim Buck-Modulator lässt sich auch der Klasse-G-Modulator um zusätzliche Stufen erweitern. In dieser Arbeit wird ein dreistufiger Modulator aufgebaut. Wegen der komplexeren Ansteuerung steigt der Leistungsverbrauch und die Effizienz ist etwas geringer als beim zweistufigen Aufbau. Sie beträgt 36 % beim Klasse-AB-Verstärker und 32 % beim Klasse-F-Verstärker. Der Rückgang der Linearität ist aber weniger stark ausgeprägt. Beim schaltunterstützten Linearmodulator arbeiten ein schneller Linearmodulator und eine effiziente Schaltstufe parallel. Wie in dieser Arbeit erstmals analytisch bewiesen, liegt bei LTE-Signalen der Großteil der Leistung bei niedrigen Frequenzen. In diesem Fall lässt sich die mittlere Effizienz des Modulators steigern, indem die Bandbreite und damit die Umladeverluste der Schaltstufe begrenzt werden. Die Modulatoreffizienz steigt dadurch um 10 %. Im Gesamtsystem sinkt die Effizienz leicht auf 20 % beim Klasse-AB-Verstärker und 17 % beim Klasse-F-Verstärker. Die Linearität ist vergleichbar mit dem Linearmodulator. Außerdem untersucht diese Arbeit, ob die Linearität eines versorgungsspannungsmodulierten Verstärkers durch eine adaptive Einstellung der Gatevorspannung des Transistors erhöht werden kann. Bei einer linearen Abbildungsfunktion zwischen Drain- und Gatevorspannung führt dies zu einer leichten Verbesserung der Verhältnisse der Nachbarkanalleistungen um 1 dB. Dies legt eine weitere Untersuchung der Gatespannungsmodulation nahe, um eine optimierte Abbildungsfunktion zwischen den Vorspannungen zu finden.