Proyecto Fin De Carrera - Us
Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Predistorsión digital de amplificadores de potencia mediante funciones de Bézier Autor: Jesús Aláez Fernández Tutor: Luis Javier Reina Tosina Equation Chapter 1 Section 1 Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018
Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Predistorsión digital de amplificadores de potencia mediante funciones de Bézier Autor: Jesús Aláez Fernández Tutor: Luis Javier Reina Tosina Profesor titular Dep. de Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iii
Proyecto Fin de Carrera: Predistorsión digital de amplificadores de potencia mediante funciones de Bézier Autor: Jesús Aláez Fernández Tutor: Luis Javier Reina Tosina El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 v
El Secretario del Tribunal
vii
Agradecimientos A mis profesores, familiares y amigos. ix
Resumen El comportamiento no lineal de los dispositivos de estado sólido, presentes en los amplificadores de potencia y la mayoría de subsistemas de comunicaciones, conlleva la aparición de efectos no deseados que influyen directamente sobre la calidad de las señales que se transmiten. En este trabajo se pretende abordar el problema de la no linealidad en amplificadores de radiofrecuencia. Para ello se modela el comportamiento de un amplificador de potencia analizando la relación empírica entre muestras entrada-salida mediante curvas de Bézier, definiendo con el mismo modelo un predistorsionador para así establecer un sistema lo más lineal posible. Una vez ajustada la función matemática a dicho comportamiento, se calculan diferentes figuras de mérito, que se comparan con la linealización por funciones polinómicas, y se establecen las conclusiones a las que se llega. xi
Abstract The non-linear behavior of solid state devices, presents the power amplifiers and most communication subsystems, leads to the appearance of unwanted effects that directly influence the quality of the signals they transmit. In this work we try to address the problem of non-linearity in radio frequency amplifiers. To do this, he models the behavior of a power amplifier analyzing the empirical relationship between the input-output samples using Bézier curves, defining a predistortionist with the same model to establish a system as linear as possible. Once the mathematical function is adjusted to said behavior, different figures of merit are calculated, which is compared with the linearization by polynomial functions, and the conclusions reached are reached. xiii
Índice Agradecimientos ix Resumen xi Abstract xiii Índice xiv Índice de Figuras xvii 1 Introducción Motivación Objetivos Estructura 2 Materiales y Métodos Linealización de PAs 2.1.1 Tecnología de amplificación. Amplificadores de potencia 2.1.2 Fenómenos no lineales en amplificadores de potencia 2.1.3 Arquitecturas de amplificadores eficientes 2.1.4 Modelos de comportamiento en amplificadores de potencia 2.1.5 Figuras de mérito Teoría de funciones de Bézier 2.2.1 Introducción 2.2.2 Curvas de Bézier 2.2.3 Propiedades de las curvas Bézier 2.2.4 Algoritmo de Casteljau 2.2.5 Polar de una parametrización 2.2.6 Elevación del grado 2.2.7 Derivadas 2.2.8 Interpolación 2.2.9 Aproximación 2.2.10 Elección de los nudos Herramientas utilizadas 2.3.1 Matlab 2.3.2 Curve fitting toolbox 2.3.3 Plataforma de Chalmers 2.3.4 Vectores de muestras 3 Resultados 3.1 Introducción Modelado del PA con curvas de Bézier caracterizado por sus entradas y salidas Modelado de DPD con funciones de Bézier Caracterización del Sistema formado por el DPD y el PA modelados con funciones de Bézier Modelo polinómico Evaluación de los resultados 1 1 3 3 11 11 11 16 23 25 34 36 36 38 39 42 43 45 49 52 54 55 56 56 57 57 58 60 60 60 66 73 80 82
3.6.1 NMSE 3.6.2 ACPR Plataforma de Chalmers 82 83 83 4 Conclusiones 90 5 Anexos Código 91 91 6 Bibliografía 96 xv
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Tipos de amplificadores. 12 Figura 2.2. Polarización clase A [6]. 13 Figura 2.3. Polarización clase B [6]. 14 Figura 2.4. Polarización AB [6]. 15 Figura 2.5. Amplificador con característica de transferencia F y derivada en el punto de operación señalado. 17 Figura 2.6. Efectos de memoria en cuanto a la fase para IM3[7]. 19 Figura 2.7. Cancelación de productos de intermodulación por medio de predistorsión [7]. 20 Figura 2.8. Composición de IM3[7]. 20 Figura 2.9. Técnica ET (a) en la que la alimentación del amplificador de RF sigue la envolvente de la señal. Y técnica EER (b) en la que la envolvente amplificada modula al amplificador de RF [12]. 24 Figura 2.10. Esquemas de las topologías ET y EER para mejorar la linealidad y rendimiento de amplificadores de potencia de RF [12]. 24 Figura 2.11. Esquema de la técnica ET usando la herramienta ADS [12]. 25 Figura 2.12. Modelo Wiener. 28 Figura 2.13. Modelo Hammerstein. 28 Figura 2.14. Modelo Wiener/Hammerstein. 29 Figura 2.15. Modelo Wiener paralelo. 29 Figura 2.16. Esquema funcional del predistorsionador digital. 31 Figura 2.17. Esquema basado en aprendizaje indirecto. 33 Figura 2.18. Esquema basado en aprendizaje directo [17]. 33 Figura 2.19. Relación de potencia de canal adyacente [17]. 34 Figura 2.20. Error Vector Magnitude [17]. 35 Figura 2.21. Parábola de coeficientes 37 Figura 2.22. Parábola trasladada 37 Figura 2.23. Parábola rotada 37 Figura 2.24. El coeficiente no nulo 𝑎2convierte el segmento en una parábola 38 Figura 2.25. Polinomios de Bernstein de grado dos 38 Figura 2.26. Parábola de polígono de control {𝑐0, 𝑐1, 𝑐2} 39 Figura 2.27. Una curva de Bézier siempre pasa por los vértices primero y último. 40 Figura 2.28. Centro local: al mover el vértice 𝑐2, se deforma mayormente la parte más próxima a él 40 Figura 2.29. La curva está contenida dentro de la envolvente convexa de su polígono de control 41 Figura 2.30. Para trasladar una curva de Bézier, basta trasladar su polígono de control 41 Figura 2.31. : Para invertir el sentido de una curva de Bézier, basta invertir el orden de su polígono de control 42 Figura 2.32. Algoritmo de Casteljau para una parábola 43 Figura 2.33. La polar es simétrica 𝑐[𝑡, 𝑢] 𝑐[𝑢, 𝑡] 44 Figura 2.34. La polar nos permite obtener el polígono de una parte de una curva de Bézier 45 Figura 2.35. Los polígonos {𝑐0, . . . , 𝑐3}, {𝑐0′, , 𝑐4′} corresponden a la misma curva de Bézier 46 Figura 2.36. La gráfica de 𝑓𝑥 𝑥3 vista como curva de Bézier 47 Figura 2.37. Al elevar el grado, el polígono de control tiende a la curva de Bézier 48 Figura 2.38. Disminución de la variación: la recta corta al polígono en cuatro puntos y en ninguno a la curva 49 Figura 2.39. La disminución del grado no proporciona exactamente la misma curva 49 Figura 2.40. Los segmentos 𝑐0𝑐1, 𝑐3𝑐4 proporcionan las tangentes en 𝑐0 y 𝑐4, respectivamente 50 Figura 2.41. Los segmentos 𝑐0′𝑐1′ , 𝑐2𝑐3 deben ser paralelos para que la curva compuesta tenga tangente continua. 51 Figura 2.42. Curva de clase 𝐶2 compuesta de dos tramos 52 Figura 2.43. Cúbica interpolante de cuatro puntos 53 Figura 2.44. Parábola aproximante de seis puntos 54 Figura 2.45. Curva interpolante de cinco puntos usando partición uniforme, por longitud de cuerda y aproximación centrípeta 55 xvii
Figura 2.46. Gráfica de la curvatura de las curvas interpolantes Figura 2.47. Vectores de entrada y salida generados en el experimento usados para el modelado 56 58 Figura 3.1. Representación de la característica AM-AM medida del PA-DTSC. 61 Figura 3.2. Ganancia suavizada SPAN 51 (PA-DTSC). 62 Figura 3.3. Ganancia de potencia(dB) del PA-DTSC sin modelar suavizada y con los valores constantes a partir de las entradas menores a -50 dBm. 63 Figura 3.4. Caracterísitca AM-AM del PA-DTSC modelado con funciones de Bézier de grado 7. 64 Figura 3.5. Característica AM-PM medida del PA-DTSC. 65 Figura 3.6. Característica AM-PM del PA-DTSC suavizada. 65 Figura 3.7. Característica AM-PM del PA-DTSC modelado con funciones de Bézier de grado 7 66 Figura 3.8. Representación de la característica AM-AM de un DPD para el PA-DTSC. 67 Figura 3.9. Característica AM-AM de un DPD para el PA-DTSC suavizada por el método Savitzky–Golay con un SPAN 51. 68 Figura 3.10. Característica AM-AM de un DPD para el PA-DTSC suavizada con valores constantes para valores de entrada menores a -40 dBm. 69 Figura 3.11. Característica AM-AM de un DPD modelado con una curva de Bézier de grado 7 70 Figura 3.12. Característica AM-PM de un DPD para el PA-DTSC. 71 Figura 3.13. Característica AM-PM de un DPD para el PA-DTSC suavizada por el método Savitzky–Golay con una configuración de SPAN 51 72 Figura 3.14. Característica AM-PM modelada del DPD para el PA-DTSC con curvas de Bézier de grado 7 73 Figura 3.15. Sistema Aplificador formado por un DPD y en cascada el modelo del PA-DTSC. 73 Figura 3.16. Característica AM-AM modelada para el DPD con los datos xsw(dBm) de entrada (PA-DTSC) 74 Figura 3.17. Característica AM-PM modelada para el DPD con los datos xsw(dBm) de entrada (PA-DTSC) 75 Figura 3.18. Ganancia del PA-DTSC modelado respecto a la señal z generada como salida del DPD (dBm) 76 Figura 3.19. Diferencia de fase entre z e y por valores de la potencia de entrada de z de potencia en dBm (PA-DTSC) 77 Figura 3.20. Ganancia de potencia del sistema respecto a la potencia de entrada (PA-DTSC linealizado). 77 Figura 3.21. Diferencia de fase entre entrada y salida en función de la potencia de entrada del sistema (PA-DTSC linealizado) 78 Figura 3.22. Representación de la parte real e imaginaria de la variación temporal de las señales de entrada multiplicada por el factor de ganancia y de salida 79 Figura 3.23. Espectro de potencia. 80 Figura 3.24. Ganancia de un PA modelado por una función polinómica de grado 11 81 Figura 3.25. Modelo DPD PA modelado por una función polinómica de grado 11 82 Figura 3.26. Comparación del ACPR de las señales 83 Figura 3.27. Entrada y salida normalizada del PA-WebLab, representadas en un periodo de tiempo (partes real e imaginaria, respectivamente). 84 Figura 3.28. Espectro de potencia de la entrada (azul) y salida (rojo) 84 Figura 3.29. Ganancia de potencia (PA-WebLab). 85 Figura 3.30. Potencia de entrada respecto a potencia de salida (PA-WebLab). 85 Figura 3.31. Diferencia de fase respecto a la potencia de entrada (PA-WebLab). 86 Figura 3.32. Ganancia de potencia del DPD diseñado para el PA-WebLab con curvas de Bézier. 87 Figura 3.33. Característica AM-PM del DPD diseñado para el PA-WebLab con curvas de Bézier. 87 Figura 3.34. AM-AM de la salida del DPD cuando la entrada es la señal de referencia. 88 Figura 3.35. AM-PM de la salida del DPD cuando la entrada es la señal de referencia. 88 Figura 3.36. Espectro de densidad de potencia para la señal de entrada del sistema amplificador y la señal de salida. 89
xix
1 INTRODUCCIÓN Motivación E l desarrollo actual de las telecomunicaciones está encaminado hacia la obtención de tasas de transmisión cada vez más altas. Tradicionalmente, en el entorno de las comunicaciones móviles de las primeras generaciones se había impuesto el uso de modulaciones de envolvente constante, sin embargo, las tasas de transmisión en los sistemas que emplean estos esquemas de modulación son menores que en los que utilizan modulación de envolvente no constante. Por otro lado, el aumento de la densidad de usuarios de los sistemas de comunicaciones móviles obliga a una mayor reutilización de las frecuencias y a recurrir a esquemas de modulación de alta eficiencia espectral. Estas modulaciones, eficientes en ancho de banda, suelen ser modulaciones lineales en las cuales se incluyen variaciones tanto en la amplitud como en la fase y, por lo tanto, presentan envolvente no constante. No obstante, al pasar por un sistema con característica no lineal, como es el amplificador, aparece un ensanchamiento espectral no deseado que perjudica seriamente el correcto aprovechamiento del espectro. Los amplificadores de potencia (PA) de la etapa de RF (radio frecuencia) en los sistemas de comunicaciones móviles están destinados a operar con la máxima eficiencia posible, trabajando en la zona próxima a la saturación, región no lineal de su característica de entrada-salida. Los amplificadores que suelen ser elegidos para configurar esta etapa corresponden a las clases AB, B o C, aunque más recientemente se empiezan a introducir amplificadores de clase F o amplificadores con estructuras complejas como Doherty. Los amplificadores de clase AB, B o C se ven afectados por presentar un comportamiento poco lineal y por lo tanto son sólo adecuados para señales de envolvente constante, como son los distintos tipos de modulaciones de frecuencia y fase, tales como MSK, GMSK, GFSK, M-PSK, etc., aplicados todavía en algunos de los sistemas de comunicaciones móviles existentes en la actualidad (como GSM y DECT). Sin embargo, estos tipos de modulaciones sufren de una baja eficiencia espectral, desembocando en un uso relativamente ineficiente del espectro radioeléctrico [1]. El espectro de RF, porción menos energética del espectro electromagnético situada entre los 3 hercios (Hz) y los 300 GHz, disponible para los sistemas de comunicaciones, es una fuente finita y altamente preciada, por lo que es necesario que sea usado de la forma más eficiente posible. En concreto, la dependencia de las comunicaciones vía ondas de radio en una u otra forma ha crecido extraordinariamente en los últimos años, y el incremento en el número y variedad de aplicaciones, muchas de ellas con necesidad de un gran ancho de banda, y la gran expansión en cuanto a expectativas de usuarios, conllevan a demandas y exigencias cada vez mayores del espectro radio. Comunicaciones fijas y móviles, difusión de radio y televisión, aviación, transporte marítimo y ferroviario, defensa, sistemas electrónicos médicos, servicios de emergencias, control remoto y monitorización, radioastronomía e investigación espacial, así como muchas otras aplicaciones, hacen uso del espectro de RF. Debido al incremento del número de usuarios, que ha originado la aparición de problemas de capacidad en los sistemas, el uso de técnicas de modulación de alta eficiencia espectral adquiere una gran importancia en la realización de nuevos sistemas de comunicaciones, lo que conlleva afrontar el desarrollo de amplificadores de potencia RF que cumplan un compromiso entre eficiencia y linealidad y que puedan ser aplicados en sistemas de difusión de señales digitales de audio DAB y vídeo DVB que emplean modulación OFDM, y en sistemas de comunicaciones móviles de tercera, cuarta y quinta generación, como son UMTS, LTE y IP LAN / WAN / PAN. Es importante destacar que, en relación con el despliegue de la quinta generación de comunicaciones
2 Introducción móviles, aunque se espera que puedan ir incorporándose bandas de frecuencia más bajas, los estándares en los que se está trabajando actualmente consideran que se explotará entre 3 y 300 GHz [2]. El espectro de RF disponible en los sistemas de comunicaciones móviles se encuentra canalizado en segmentos de un determinado ancho de banda. Las no linealidades asociadas al amplificador de potencia provocan una expansión o recrecimiento del espectro de la señal transmitida, debido a los productos de intermodulación de orden impar, apareciendo una invasión de canales adyacentes, llamada Interferencia en Canal Adyacente (ICA). En algunos sistemas, para mantener el uso de amplificadores de potencia con alta eficiencia, se restringe el uso de canales adyacentes para transmisión. Estas restricciones en el uso de canales adyacentes reducen la eficiencia espectral y dificultan la labor del operador a la hora de elaborar el plan de frecuencias. Por otra parte, la eficiencia en potencia es, también, un factor de gran importancia en los sistemas de comunicaciones modernos, en particular en sistemas donde la autonomía es crucial, como equipos portátiles y satélites. Ambas exigencias, alta linealidad y elevada eficiencia en potencia, son difíciles de conciliar. Es aquí donde nace la posibilidad de aplicar técnicas de linealización de amplificadores de potencia, que permiten la utilización de modulaciones lineales y amplificadores de alta eficiencia, no lineales, a costa de aumentar la complejidad del transmisor. Diferentes técnicas que se pueden citar son backoff, feedforward, predistorsión, linealización mediante componentes no lineales (LINC) o Envelope Elimination and Restoration (EER). La incorporación de mecanismos adaptativos para corregir la mayoría de los desajustes de los factores críticos de cada técnica de linealización se ha visto facilitada por el auge tecnológico de los procesadores digitales de señal (DSP) y FPGAs. Vistos desde un marco más general, los modelos de PA utilizados para la eliminación de la distorsión no lineal introducida por los amplificadores pueden clasificarse en dos grandes grupos: modelos físicos y modelos empíricos [3]. Los modelos físicos son aquellos que requieren un conocimiento de los dispositivos electrónicos que componen el PA, sus relaciones constitutivas y las normas teóricas que rigen sus interacciones. Éstos usan un modelo no lineal del PA como dispositivo activo y de los elementos pasivos para formar un conjunto de ecuaciones no lineales que relacionan los voltajes y corrientes del conjunto. Usando una descripción en forma de circuito equivalente, estos modelos resultan apropiados para la simulación a nivel de circuito y proporcionan un resultado con una exactitud que, a día de hoy, está casi sólo limitada por la calidad del modelo del dispositivo activo. Desafortunadamente, la precisión de los resultados conlleva un alto precio en tiempo de simulación y necesitan una descripción detallada de la estructura interna del PA. Cuando un circuito equivalente de un PA no está disponible (por ejemplo, en el caso de los tubos de ondas progresivas) o cuando se desea una simulación completa a nivel de sistema, los modelos empíricos son los elegidos. Éstos asumen que no se tiene un conocimiento a priori de la estructura interna del PA (modelo de caja negra), dependiendo exclusivamente de un conjunto de observaciones de pares entrada-salida seleccionadas concienzudamente. En este caso, son comúnmente llamados modelos de comportamiento. Su precisión es altamente sensible a la estructura del modelo elegido y al método de extracción de parámetros. Así, no sorprende que distintos modelos de topologías y diferentes conjuntos de datos tomados conduzcan a una gran variedad de aplicaciones y resultados de simulación. Esto los diferencia en gran medida de los modelos analíticos, ya que un modelo de comportamiento necesita de capacidad de predicción y los resultados obtenidos pecarán de dudosa generalidad. En esencia, uno de los primeros pasos a la hora de analizar sistemas que incluyen PA, y "linealizar" su comportamiento, es modelar la no linealidad de la forma más exacta posible. Los modelos de comportamiento son a menudo usados para este fin debido a que son eficientes en términos de computabilidad, a través de relacionar señales de entrada y de salida sin necesitar hacer un análisis a nivel físico del dispositivo o sistema. Para obtener el modelo de comportamiento para un sistema PA, se mide el comportamiento no lineal del PA, y se extraen los parámetros del modelo en base a una arquitectura predefinida. El resultado obtenido, nos dará una descripción matemática de la no linealidad del PA que describa al sistema o dispositivo. Por otra parte, en el diseño y desarrollo de cualquier componente de un sistema de comunicaciones es necesario disponer de modelos que permitan realizar simulaciones por computador lo más fieles posibles a la realidad. El avance en la capacidad de procesamiento de los procesadores actuales, y la evolución de las tecnologías FPGA, que han alcanzado altísimas prestaciones en cuanto a velocidad y capacidad, permite afrontar algoritmos de procesado de señal de gran complejidad. Para aprovechar esta capacidad de computación se hace necesario desarrollar modelos de componentes electrónicos, dispositivos de estado sólido o sistemas que, a pesar de su
Predistorsión digital de amplificadores de potencia mediante funciones de Bézier 3 complejidad, reproduzcan el comportamiento real al más mínimo detalle. La forma más común de obtener estos modelos es asociar al dispositivo un modelo de comportamiento de tipo polinomial, pudiendo incorporar al modelo efectos de memoria llegando a obtener modelos muy complejos y fieles a la realidad. La desventaja de las funciones polinómicas es que, en los rangos de potencias más altos, que son cada vez más frecuentes debido a la tendencia a incrementar la relación entre las potencias de pico y promedio de las señales de RF, las funciones polinómicas divergen cuando se excede el margen dinámico de potencia considerado para la identificación del modelo, por lo que podría no reflejar el comportamiento real de un PA. Objetivos El objetivo del proyecto es el estudio de nuevas técnicas de linealización aplicables al modelado de comportamiento de un amplificador de potencia, haciendo uso de las funciones de Bézier. Para ello se modelará la característica AM-AM y AM-PM de un PA y de un DPD adecuado al PA modelado haciendo uso de una batería de entradas y salidas correspondientes de un PA, resolviendo un problema de interpolación/aproximación después de modelar las señales con el fin obtener resultados más cercanos a un comportamiento lineal para dicho sistema formado por un DPD y un PA modelados por el mismo método. Como objetivos específicos se considerará, en primer lugar, la adaptación de los algoritmos de aproximación de funciones mediante curvas de Bézier a la problemática de un PA descrito por medios de sus características AMAM y AM-PM. En segundo lugar, se aplicará la metodología de ajuste de funciones de Bézier a la identificación del comportamiento de un DPD. Finalmente, se evaluará la calidad del DPD en un escenario real considerando la implementación de los métodos sobre un PA comercial, y su evaluación experimental mediante señales OFDM. Los resultados se describirán en términos de figuras de mérito como el ACPR y el NMSE. Estructura La memoria que se presenta consta de 5 capítulos, el primero de los cuales sirve de introducción y define el marco actual sobre el que se desarrolla el proyecto y establece los objetivos marcados. El segundo capítulo, Material y método, desarrolla más en profundidad la problemática que origina el trabajo en el que se enmarca el proyecto, los efectos de la no linealidad en amplificadores de microondas. A continuación, define las herramientas e instrumentación que se emplearon durante el desarrollo del proyecto: definición de los modelos de comportamiento, de los equipos y demás hardware utilizados y de las herramientas software. El tercer capítulo recoge los resultados obtenidos y las comparaciones entre los distintos modelos apoyándonos en las figuras de mérito y gráficas calculadas y su interpretación. En el cuarto se representan las conclusiones del proyecto y las líneas futuras de investigación que se abren a raíz de la consecución de los objetivos marcados. El quinto capítulo contiene el código Matlab de las funciones usadas para el modelado del sistema de amplificación. 3
4 Introducción
2 MATERIALES Y MÉTODOS Linealización de PAs 2.1.1 Tecnología de amplificación. Amplificadores de potencia 2.1.1.1 Introducción Un amplificador de potencia (PA) es un dispositivo que recibe en su terminal de entrada una señal con un cierto nivel de potencia y proporciona a su salida la misma señal con un nivel de potencia superior. Por lo general la señal que se inyecta en el terminal de entrada del amplificador de potencia es pequeña y es necesario amplificarla lo suficiente para generar una réplica de la señal a un nivel de potencia muy superior a la carga conectada en su terminal de salida. Las características principales de un amplificador de gran señal o de potencia son la eficiencia de potencia, la cantidad máxima de potencia que es capaz de generar el amplificador de potencia y el acoplamiento de impedancias con la carga conectada a la salida del mismo [4]. Los amplificadores de potencia se clasifican de acuerdo con la fracción de tiempo que conducen los dispositivos activos. Los amplificadores de clase A tienen transistores de salida en los que la corriente de señal circula todo el tiempo. Para obtener un mayor rendimiento, el amplificador de clase B utiliza transistores que sólo conducen la mitad del tiempo, quedando al corte el resto del tiempo. Los transistores de los amplificadores de clase AB conducen algo más de la mitad del tiempo con rendimientos similares a los circuitos de clase B, pero producen menor distorsión. Los amplificadores en clase C producen grandes niveles de potencia con buen rendimiento usando transistores que conducen sólo una pequeña fracción del ciclo. Los cortos pulsos de la corriente de salida excitan un circuito resonante que elimina las componentes de la distorsión producidas por el funcionamiento no lineal del transistor. Los amplificadores de clase D producen formas de onda de salida binarias de muy alto rendimiento, próximo al 100% usando los transistores como interruptores [5] A continuación, comenzaremos con el estudio de los amplificadores de potencia describiendo la clasificación y los parámetros más importantes de los mismos. 2.1.1.2 2.1.1.2.1 Clasificación de los amplificadores de potencia Conceptos generales Los amplificadores de potencia se clasifican por clases en las cuales se representan la cantidad que varía la señal de salida a lo largo de un ciclo de operación para un ciclo completo de la señal de entrada. Cada una de las clases de los amplificadores de potencias difiere en términos de linealidad, potencia de salida y eficiencia [6]. Así, para poder diseñar un amplificador de potencia es necesario determinar el factor más importante para nuestro diseño y elegir la clase de amplificadores de potencia que más se adecue a nuestros propósitos. En este proyecto los factores más importantes son la linealidad y la eficiencia, ya que se desea diseñar un amplificador de potencia que maximice su eficiencia, pero sin comprometer su linealidad. Como se comenta en el apartado 2.1.1.1, las clases de operación del amplificador de potencia se pueden dividir en dos grupos: el primer grupo (Clases A, B, AB) está formado por amplificadores de potencia altamente lineales usados en aplicaciones de microondas y comunicaciones móviles, mientras que el segundo grupo (Clases D, E, F) contiene a los amplificadores de gran eficiencia usados tradicionalmente en aplicaciones de comunicaciones por satélite [6]. Para que el amplificador opere en una determinada clase, los voltajes DC de puerta y drenador
12 Materiales y Métodos del transistor tienen que polarizarse de manera que estén muy cerca del punto de operación. En la figura 2.1 se observan las clases más típicas de operación en función del punto de operación. Figura 2.1. Tipos de amplificadores. 2.1.1.2.2 Clase A Para poder distinguir las distintas clases de los amplificadores de potencia se usa el ángulo de conducción. Este ángulo indica el periodo de tiempo que el amplificador de potencia está conduciendo (ciclo de operación). Para la clase A, el amplificador posee un ángulo de conducción igual a 360º, por lo tanto, esto nos indica que el dispositivo conduce corriente durante todo el ciclo de operación. En la figura 2.2 se muestra la polarización para la clase A [6]. 12
Predistorsión digital de amplificadores de potencia mediante funciones de Bézier 13 Figura 2.2. Polarización clase A [6]. Los amplificadores de clase A son los más lineales debido a que el transistor está polarizado en el centro de la línea de carga, lo cual permite a la corriente y a la tensión llegar a sus máximos sin saturarse. El principal inconveniente de estos tipos de amplificadores es su baja eficiencia provocada por la disipación de potencia que se produce al conducir la corriente durante todo el ciclo. En la práctica se alcanzan sólo eficiencias máximas alrededor del 25%. Por lo tanto, podemos afirmar que la clase A no es adecuada para diseñar un amplificador de potencia debido a su alta disipación de potencia. Suelen usarse amplificadores de clase A en aplicaciones en las cuales la linealidad es un requisito indispensable y la eficiencia puede verse comprometida sin mayores perjuicios, como por ejemplo en el caso de modulaciones en amplitud en las que se requieren un amplificador muy lineal. 2.1.1.2.3 Clase B Los amplificadores de clase B tienen un ángulo de conducción de valor 180º de manera que proporciona una señal de salida que varía a lo largo de la mitad del ciclo de la señal de entrada, tal como se muestra en la figura 2.3 [6]. 13
14 Materiales y Métodos Figura 2.3. Polarización clase B [6]. El punto de polarización para la clase B debe estar en la tensión de corte. De esta manera sólo fluye corriente por el dispositivo cuando el nivel de señal de entrada es mayor que la tensión de corte. Esta situación ocurre durante el ciclo positivo de la señal de entrada, mientras que en el ciclo negativo el amplificador permanece apagado. Gracias a este comportamiento no existe tanta disipación de potencia como en la clase A, sin embargo, la señal de salida que proporciona el amplificador es muy distorsionada ya que la reproducción de la señal de entrada se realiza solamente durante 180º de la excursión de la señal de salida. Cabe destacar que la operación en clase B, en ausencia de potencia de polarización de DC cuando no hay señal de entrada, proporciona una eficiencia máxima que llega al 78.5% [4]. Esta mejora en la eficiencia se debe a un empeoramiento de la linealidad ya que
Diferencia de fase entre z e y por valores de la potencia de entrada de z de potencia en d m (PA-DTS ) ó ó Figura ï. î ì. Ganancia de potencia del sistema respecto a la potencia de entrada (PA-DTS linealizado). ó ó Figura ï. î í. Diferencia de fase entre entrada y salida en función de la potencia de entrada del sistema (PA-DTS
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