Versorgungsspannungsmodulation von Hochfrequenz-Leistungsverstärkern

Abstract

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.

Modern communications systems allow transmission of constantly increasing data rates. Due to the limited frequency range, higher-order modulation schemes are employed, resulting in rising peak-to-average power ratio. Efficiency of power amplifiers decreases for lower output powers. Therefore, efficiency drops for modern communications standards. One solution to increase efficiency is envelope tracking. In this architecture, the drain bias voltage of the amplifier is dynamically adapted to the output power level. The crucial element is the voltage modulator which is responsible for providing the proper bias voltage. This work presents several modulator concepts und compares their influence on the system. Furthermore, it is investigated whether the adaption of the gate bias voltage of the transistor can increase linearity. Two amplifiers of classes AB and F are designed. The class-AB amplifier achieves a maximum output power of 41 dBm and an efficiency of 60 % at a centre frequency of 2.75 GHz. For the class-F amplifier, an output power of 42 dBm and an efficiency of 61 % are measured at an operation frequency of 2.65 GHz. The main part of this work is the investigation and comparison of different voltage modulator concepts. The linear modulator is based on the emitter follower. Inherently to its functional principle, this circuit does not allow an increase of efficiency. For an LTE drive signal with a bandwidth of 20 MHz, adjacent channel leakage ratio decreases by 5 dB to 10 dB compared to operation with constant drain bias. Error vector magnitude increases from about 9 % up to 16 % for the class-AB amplifier and from 4 % up to 5 % for the class-F amplifier. In a buck modulator, the output voltage is generated by switching between two discrete voltages. The resulting square wave signal is then filtered. Switching frequency needs to be considerably higher than the bandwidth of the output signal. In reality, switching losses appear due to the high switching frequencies. Therefore, the buck modulator is only of limited use for envelope tracking in broadband systems. The modulator presented in this work operates at a switching frequency of 8 MHz. Efficiency of the entire envelope tracking system using the class-AB amplifier is increased by 5 % for a continuous-wave input signal. In a multi-level buck modulator, additional voltage levels are inserted, resulting in reduced switching losses. This is demonstrated with a three-level buck modulator. When operating at a switching frequency of 8 MHz, efficiency of the class-AB amplifier is increased by 6 % under continuous-wave excitation. The class-G modulator can provide only two discrete bias voltages at its output. Therefore, the radio frequency amplifier is not operated at maximum efficiency all the time. However, modulator efficiency is significantly higher than for the other modulator concepts considered in this work. When exciting the class-AB amplifier with a 20 LTE signal, efficiency is increased from 22 % up to 38 %. For the class-F amplifier it rises from 20 % up to 32 %. This is accompanied by a decreasing linearity compared to the linear modulator. As for the buck modulator, the class-G modulator can be expanded by more voltage levels as well. In this work, a three-level class-G modulator is designed. Due to the more complex control circuitry, power consumption increases and efficiency slightly decreases compared to the two-level class-G modulator. It is 36 % with the class-AB amplifier and 32 % with the class-F amplifier. However, the decrease in linearity is lower. In a switch-mode assisted linear modulator, a fast linear modulator and a high-efficiency switching stage work in parallel. As derived analytically in this work for the first time, most of the power of an LTE envelope is situated at low frequencies. In this case, average modulator efficiency can be increased by limiting the bandwidth and thereby the losses of the switching stage. Modulator efficiency increases by 10 % due to this measure. In the entire envelope tracking system, overall efficiency slightly decreases to 20 % for the class- AB amplifier and to 17 % for the class-F amplifier. Linearity is comparable to the linear modulator. Besides, this work investigates whether linearity of an amplifier in an envelope tracking system can be increased by adapting dynamically the gate bias voltage of the transistor. A linear mapping between drain and gate bias voltage is implemented in this work and leads to a slight improvement of adjacent channel leakage ratio by 1 dB. This suggests further investigation of gate bias modulation combined with envelope tracking in order to find an optimized mapping between the bias voltages.