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AMPLIFICATORI DI POTENZA PER COMUNICAZIONI · PDF fileAMPLIFICATORI DI POTENZA PER COMUNICAZIONI WIRELESS ... mentre il WCDMA ha una banda di canale di 5MHz. Ma non solo: nei sistemi

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AMPLIFICATORI DI POTENZA PER COMUNICAZIONI WIRELESS

Davide Antonino Salvatore Sanalitro

Vediamo innanzitutto di capire lallocazione dellamplificatore di potenza in un rice-trasmettitore RF: il PA si colloca immediatamente a monte dellantenna (se siamo nella catena di ricezione) se non fosse per alcuni blocchi come il directinal couplet (accoppiatore direzionale) e antenna switch (o duplexer). directional antenna DSP PA couplet switch

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to RX Nel dettaglio tali blocchi servono a : laccoppiatore direzionale serve a prendere la potenza fornita dal PA al fine di manipolare il livello di potenza che incide sullantenna; lantenna switch serva per condividere lantenna tra trasmissione e ricezione se la multiplazione a divisione di frequenza si usa quello che si chiama duplexer, se la multiplazione a divisione di fequenza si usa quello che si chiama switch. Se la multiplazione a divisione di tempo, lo switch commuter lantenna ora sul ramo di ricezione, ora sul ramo di trasmissione. Viceversa se la multiplazione a divisione di frequenza (vuol dire che esistono due bande differenti dove separatamente avvengono ricezione e trasmissione) si utilizzer un blocco che consente il passaggio dei segnali dalla banda di ricezione dellantenna al ricevitore e viceversa i segnali dalla banda di trasmissione solo ed esclusivamente nella direzione che va dal trasmettitore allantenna. Questo per dire che al di l delle piccole perdite introdotte da questi due blocchi, la potenza rilevata dallantenna quella in uscita dal PA..la scopo del PA fornire la potenza necessaria affinch il segnale possa essere trasmesso dallantenna. Possiamo immaginare quantitativamente che le perdite introdotte dai due blocchi che stanno a valle del PA ammontino ad 1dB o qualche dB. Principali requisiti che un PA deve soddisfare: 1) Ora, agli amplificatori di potenza (come tutta la circuteria RF) richiesto di lavorare con basse tensioni di alimentazione ci significa un piccolo ingombro ed esigua peso delle batterie. Per basse tensioni di alimentazioni intendiamo tensioni tra 2.7 - 4.5V!! Quando una batteria scarica il problema continuare a fornire la potenza nominalmente necessaria anche a fronte di una di munizione della tensione di alimentazione. Quando la batteria carica il problema legato al fatto che la presenza di sovratensioni al collettore possono determinare la rottura e vedremo in seguito come si pu far fronte a tali problemi. 2) Alta efficienza. Lefficienza si pu misurare in due modi: o con la cosiddetta efficienza di collettore o con la PAE. La collector effiency la seguente ben nota formula: = Pout\ Pdc potenza ricevuta fratto potenza fornita in DC. Questa definizione non tiene per conto del livello di potenza che in aggiunta a quello fornito dallamplificatore deve essere fornito in ingresso allamplificatore (il PA) affinch luscita sia al valore desiderato (il PA amplifica il livello di potenza che esso riceve in ingresso).

Per individuare e capire meglio quanto appena detto possiamo aiutarci con la seguente figura: Vcc Pdc

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Pin Pout RF RF Per tener conto di questo ulteriore contributo si fa riferimento al PAE (Power Added Efficiency):

PAE = (Pout Pin) \ Pdc

Ora, un amplificatore di potenza con efficienza buona ha valori di PAE che partono dal 50%. Avere unalta efficienza significa: per una data potenza dingresso consumare poco, consumare poco significa allungare lo stand-by della rete. 3) Alta potenza duscita. I valori di alta potenza duscita dipendono dallo standard con cui si ha a che fare. Nel caso del GSM a 1800MHz si richiedono 30dBm, cio 1W di potenza in uscita allantenna; in realt a causa delle perdite che si hanno in quei blocchi a valle del PA di cui prima accennati, la specifica dello standard allantenna si riflette in una specifica sul PA di qualche dbm pi alto, tipicamente sui 32dBm. Nel caso GSM a 900MHz si richiede una potenza pi alta, circa 33dBm che diventano al PA 35dBm. Per la WCDMA si va verso potenze pi basse, circa 25dBm che si traducono al PA in 27dBm. 4) Alta frequenza operativa questa dipende dallo standard: 0.9GHz per il GSM, e cosi via..! Tutte queste criticit hanno fatto si che il mercato dei PA sia dominato da dispositivi realizzati usando tecnologie altamente performanti quali arsenurio di gallio, silicio e germanio. Tali tecniche a fronte di ottime prestazioni presentano per dei forti limiti di costo e di integrazione. Esiste in tal senso tutto un filone di ricerca finalizzato allo studio teso a dimostrare le buone performance che si possono ottenere usando invece il vecchio e caro silicio :

Quello sopra riportato un esempio di quanto appena detto: tecnologia al silicio puro con la quale sono stati ottenuti risultati soddisfacenti riportati sopra in tabella. E una tecnologia fornita da ST e va sotto il nome di HSB3, una tecnologia a 0.8m (che rappresenta la minima geometria dellemettitore), richiede per la sua fabbricazione 17 steps di maschere (e sono pochi), presenta isolamento a giunzione, ci sono tre livelli di metal pi uno opzionale in oro, una tecnologia che permette di realizzare capacitori MIM (metallo isolante metallo) di circa 07fF/m2, con lultimo strato di metal si possono realizzare induttori integrati ma possibile fare anche dei varactor, BJT pnp!! Facciamo adesso una distinzione netta tra due tipi di applicazioni: applicazioni 2G e applicazioni 3G facciamo questo per capire che da differenti performance di sistema derivano differenti performance del PA:

La cosa che principalmente distingue i sistemi 3G da quelli di seconda generazione sono data rate pi elevate!! Col GSM si riesce a fare 9.6 Kbit al secondo; col WCDMA si riesce a fare 2 Mbit al secondo. Si riesce a fare questo o tramite una banda di canale pi larga infatti il GSM ha una banda di canale di 200KHz, mentre il WCDMA ha una banda di canale di 5MHz. Ma non solo: nei sistemi di terza generazione si sfruttano delle tecniche di modulazione spettro-efficienti cio delle tecniche di modulazione che riescono a trasmettere nellunit di banda pi bit al secondo!! Questo si fa usando la modulazione di ampiezza oltre a quella di fase. Quindi si intuisce che a parit di banda i sistemi 3G riescono a trasmettere pi bit nellunit di tempo e in aggiunta a questo la banda comunque pi larga. Tali caratteristiche hanno come conseguenza sul PA che in un caso il problema della linearit non rilevante, nellaltro caso il problema della linearit di fondamentale importanza. Resta da capire come mai nel caso di modulazione di sola fase la linearit non vitale mentre lo nel caso di modulazioni di fase e ampiezza. Per capire questo basta fare mente locale su come varia il guadagno in dB dellamplificatore in funzione della potenza di ingresso in dBm.

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Idealmente il guadagno dovrebbe essere costante, sempre lo stesso qualsiasi sia il livello di potenza. Ma nella pratica sostanzialmente non cos perch c un livello di corrente in uscita oltre il quale lamplificatore non riesce ad andare, questo fa s che giunto un certo livello di potenza il guadagno cala perch la potenza duscita non riesce ad aumentare mentre la potenza dingresso aumenta: G [dB]

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Pin [dBm] Che poi questa non altro la curva con la quale abbiamo definito il punto di compressione ad 1dB. Con riferimento a questa curva si pu notare la seguente: supponiamo di avere a che fare con una modulazione di sola fase e di lavorare con lamplificatore in pieno regime non lineare, cio per valori di potenza in ingresso per i quali il guadagno manifesta compressione. Ora, se non modulo lampiezza significa che lampiezza costante e quindi costante sar anche il guadagno per cui vero che lamplificatore lavora compresso ma non altera la forma donda per cui non altero il contributo informativo che nella fase contenuto perch il guadagno se pur compresso sempre quello per questo anche se non modulo lampiezza leventuale compressione irrilevante!! Supponiamo ora invece di avere a che fare con un sistema in cui abbiamo sia modulazione di ampiezza che di fase: modulare lampiezza significa che non ho un livello di potenza fissato e costante ma ho un livello di potenza di ingresso che varia nel tempo quindi se trasmette in media 27dBm significa che in un dato istante ne trasmetter 26 e in un dato istante 28 quindi sul grafico non vado a leggere un valore di potenza fissato e quindi un guadagno fissato ma vado a leggere un livello di potenza che varia allinterno di un certo range e quindi pure il guadagno varier in un certo range (il guadagno non pi costante se lampiezza modulata), ma se il guadagno non costante significa che sto alterando linformazione che la forma donda sta portando(linformazione stavolta contenuta nellampiezza)!! Allora, in soldoni, come vado incontro ad una pi stringente esigenza di linearit? erogando pi corrente. Pi sono generoso in termini di corrente di polarizzazione e pi il dispositivo lineare, ma consumare pi corrente significa essere meno efficienti!! Allora in conclusione: gli amplificatori di potenza deputati ad elaborare segnali modulati in ampiezza e fase sono meno efficienti e questo spiega come mai i telefonini di 3G hanno batterie pi grandi. Capiamo quindi come da esigenze di sistema (di data rates) vengono fuori differenti prestazioni e specifiche sullamplificatore di potenza.

CLASSI DI FUNZIONAMENTO DEGLI AMPLIFICATORI DI POTENZA Riguardo alle prime tre classi sappiamo che c un compromesso tra efficienza e linearit:

Vedremo che la classe C a dispetto di quanto finora a noi saputo mostra dei limiti invalicabili di non linearit perch q