Amplificadores de potencia para sistemas inalámbricos y aplicaciones RF

In developing this article information related to power amplifiers in wireless applications and systems, from which it follows that the amplifier circuits are a major component in the communication system since the amplified output signal of the communication system is presented, these circuits are designed with semiconductor technology.

Index Terms—Amplificadores, ganancia lineal, potencia, circuitos en cascada.

Introducción

Los amplificadores de potencia en circuitos inalámbricos y circuitos RFID (identificación por radio frecuencia) resultan ser un componente muy importante dentro del diseño del circuito ya que permiten trasferir información entre circuitos emisores y receptores, por lo que un circuito amplificador tiene que cumplir con estándares estrictos durante su funcionamiento tales como: rendimiento adecuado, potencia de salida lineal, ganancia estable y lineal, esto para satisfacer las condiciones establecidas por la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) en cuanto a circuitos aplicados a sistemas de comunicación. Los amplificadores de potencia RF son diseñados y construidos con tecnología semiconductora ya que con esta tecnología permite una reducción en el consumo de energía dentro del circuito amplificador, para aquellos circuitos que no cumplen ciertas características de linealidad en su señal de salida, existen métodos que analizan los espectros de potencia proponiendo cambios en el diseño de los circuitos.

Amplificadores de potencia en aplicaciones RF

En años pasados los circuitos de baja potencia era lo primordial e importante en el diseño de los sistemas inalámbricos, ya que la reducción del consumo de energía de un circuito amplificador era todo un reto, dentro de estos circuitos tenemos:

• Reutilizarlo de corriente de polarización

• Convencional funcional de bloques

• Controladores con sobrealimentar positiva

• Interfaces de alta impedancia

muchos de estos circuitos fueron usados en amplificadores de ganancia variable (VGA) y amplificadores de bajo ruido (LNA), un VGA está formado por circuitos amplificadores en

Cascada que tienen ganancia variable y un circuito generador de tensión exponencial para obtener una amplia gama de ganancias lineales en dB. Para entonces existen técnicas para el diseño de amplificadores que reducen el consumo de energía en sistemas (PAN) inalámbricos, donde Bevin G Perumana, autor del artículo [6] presenta un amplificador de baja potencia donde todas las funciones son re alimentadas por un solo bloque de sobrealimentar de bajo consumo mediante la combinación de 2 circuitos de control con ganancias independientes así obtuvo para un amplificador con ganancia 50dB lineales un consumo de1.75mW o 40dB con un consumo de 2.50mW. A diferencia de que hoy en día se han hecho circuitos que funcionan a 60GHz, pero no han sido desarrollados adecuadamente para aplicaciones de amplificadores de bajo ruido (LNA), pero se ha diseñado 3 circuitos que permiten el uso de hasta 450MHZ basados en inductores con un alto factor de calidad (Q). Los circuitos amplificadores de baja potencia son:

• Amplificadores de ganancia variable con baja potencia, diseñados con transistores que forman un par diferencial de transconductancia que proporcionan alta linealidad.

• Amplificadores de bajo ruido, diseñado con una alta trasconductancia y una baja capacitancia usando redes de sintonía para obtener valores de trasconductancia adecuados, esto produce ganancias de voltaje mayores a los 13 dB y un factor de ruido de 4.6dB.

• Amplificadores con inductores, diseñado con un par de trasconductancia (TC) y un par de transinductancia (TI), que proporcionan un ancho de banda amplio, estos circuitos son usados para optimizar la energía a niveles de comunicación inalámbrica.

En la actualidad los circuitos RIFD (identificación por radio frecuencia) son una tecnología en crecimiento rápido ya que la identificación automática se convierte en una tecnología muy popular en las industrias de servicios especialmente en las industrias de compra y distribución de productos. En los circuitos RF lo más importante es el amplificador de potencia ya que permite poder trasferir información entre el lector y el emisor, para lo cual según el autor Gunawan Wibisono en su artículo [2] propone un amplificador de potencia clase E como circuito amplificador, esto gracias a los resultados que obtuvo en las pruebas correspondientes, donde demuestra que un amplificador de potencia clase E tiene reducidas perdidas de retorno tanto a la entrada y salida del circuito RFID, y la ganancia del amplificador mantiene estabilidad y eficiencia.

[1][2]

Un nuevo aspecto relacionado con las telecomunicaciones modernas es la implementación de software reconfigurable SDR (software defined radio), el cual está centrado en comunicaciones inalámbricas digitales que usan tecnología GSM y LTE en sistemas de comunicación Wi-fi, Winmax, o vídeos digitales que usan sistemas de radio difusión, según Diego Palombini es su artículo publicado en el año 2013, menciona que el software permite configurar sistemas de radio multiestandares, por lo que esta tecnología aplicada a sistemas CR resulta ser muy flexible ya que permite cambiar la frecuencia de funcionamiento en las comunicaciones sin perdidas de información.[10]

Los amplificadores de potencia también se los utiliza en teléfonos móviles, en donde los diseños de los circuitos dependen de la modulación del sistema inalámbrico ya que se comparó y reviso el desempeño de los amplificadores frente a dispositivos semiconductores de potencia en sistemas GSM (Sistema Global para comunicaciones Móviles), CDMA (Multiplexacion por división de control), WCDMA (Red 3G para conexiones de alta velocidad) donde se mostró que una tecnología domina el espacio de aplicación de los amplificadores RF, ya que cada sistema tiene características positivas y negativas que estarán en función de las características y tecnología que soporte el teléfono móvil. [4] [5] [8].

Distorsión lineal y control digital de amplificadores de potencia RF para señales inalámbricas

Como ya se mencionó los amplificadores de potencia son circuitos clave en sistemas de comunicación, resulta que un componente crítico y costoso es la amplificación de potencia RF, debido al efecto no lineal que se puede presentar en el amplificador, provocando distorsiones y perturbaciones en la señal de trasmisión. Para esto el autor del artículo [5] propone dos métodos para el análisis de espectros en la potencia de salida del amplificador RF, donde analiza el efecto no lineal de una potencia de salida de RF en sistemas CDMA, TDMA y el sistema de Motorola DEN, las conclusiones que obtuvo es que los efectos de modulación a partir del quinto orden de linealidad pueden ser ignorados, sin embargo si la intermodulación en el quinto orden es relativamente alta, los niveles de potencia de emisión fuera del ancho de banda pueden ser significativos, estos análisis de diseño resultan ser más críticos al usar un enfoque convencional.

En cuanto a señales digitales, cada día se desarrollan circuitos digitales basados en tecnología COMOS los mismos que permiten el desarrollo de nuevas estrategias para optimizar el trabajo de transistores en circuitos inalámbricos, además de un desarrollo de algoritmos DSP (Procesamiento de Señal Digital) para que circuitos de amplificación RF puedan mejorar la frecuencia y linealidad a través de estrategias como:

• Control DSP sobre condiciones de polarización para
  tensiones de alimentación.

• Proporcionareis en amplificadores simples y compuestos como amplificadores de bajo ruido.

• Generación de señales con entradas digitales para conmutación de amplificadores.

Toda esta transición puede brindar beneficios como:

• Realizar funciones lineales y no lineales, donde el grado de no linealidad se puede controlar con ajustes para acomodar tolerancias de fabricación.

• Pruebas de circuitos a mayores frecuencias.

Estos son enfoques para aprovechar DSP, con el fin de mejorar los amplificadores de potencia de microondas para redes inalámbricas. [1] [9]

Amplificadores "SIGE HBT" y banda ancha "Evelope Trackin" en comunicaciones inalámbricas

Existen amplificadores que se usa en telecomunicaciones inalámbricas los cuales deben tener alta eficiencia durante todo el tiempo de trasmisión de datos, para ello estos circuitos ofrecen una alta eficiencia pero la potencia de salida tiene un retardo de envió de niveles además baja sensibilidad a las variaciones de carga. Los amplificadores "SIGE HBT" están diseñados para un máximo nivel de potencia a una máxima eficiencia, sin embargo en la práctica operan con menos eficiencia a niveles de potencia bajos lo que cual limita la vida útil de una batería y reduce su tiempo de uso. [6] [7] [13]

Los amplificadores "Evelope Trackin"de banda ancha son investigados e implementados por décadas, tratando de mejorar su eficiencia, linealidad y ancho de banda, ya que este amplificador es ideal para comunicaciones inalámbricas por que soporta un amplio rango de frecuencias además es susceptible a altos niveles de integración, se dice que va mejorando con la ley de Moore de circuitos integrados digitales ya que cada vez estos circuitos desarrollan algoritmos mucho más sofisticados. [14]

Conclusiones

• En los últimos años la tecnología ha desarrollado sistemas de comunicación más sofisticados, para lo cual se requieren de toda una gama de circuitos internos que formen dicho sistema, uno de los componentes muy importantes dentro de este sistema es el amplificador de potencia, ya que gracias este circuito se puede amplificar las señales que se desean trasferir de un circuito emisor a un circuito receptor, pero el hecho de trasferir datos y más aún si son en sistemas de comunicación debe cumplir con ciertas normas previamente establecidas como linealidad y estabilidad en su ganancia.

• Para diseñar un circuito amplificador se debe tomar en cuenta la potencia que va a consumir mi circuito, ya que para los sistemas de comunicación inalámbrica los amplificadores ideales deben consumir baja potencia para ello existen métodos de diseño que me ayudan a desarrollar e implementar mi circuito amplificador.

• La electrónica de potencia ha tenido un desarrollo notable en los últimos años y se ha relacionado directamente con señales digitales gracias al avance de la tecnología de semiconductores, estos procesos muestran el desempeño de los amplificadores de potencia clase D y E, que son usados en aplicaciones de radio frecuencia, ya que estos amplificadores evitan perdidas de energía durante los procesos de comunicación.

References

[1] T. Jason, "Pulse-Density Modulation for RF Applications: The Radio-Frequency Power Amplifier (RF PA) as a Power Converter", USA: Berkeley, 2008.

[2] G. Wibisono, "Design of Power Amplifier for Radio-Frequency Identification Application on 13.56 MHz", Indonecia: kampus Baru, 2013.

[3] D. Palombini, "Design Methodology for Distributed Power Amplifier in Software-Defined Radio Applications", Italy: 2013.

[4] Motorola, "RF POWER AMPLIFERS FOR WIRELESS COMMUNICATIONS".

[5] C. Liu, "SPECTRUM ANALYSIS OF NONLINEAR DISTORTION OF RF POWER AMPLIFIERSFOR WIRELESS

SIGNALS", USA: Beaverton.

[6] B. Perumana, "Micro-Power Amplifiers for Wireless PAN Applications", USA: Dallas.

[7] P. Asbeck, "DIGITAL CONTROL OF POWER AMPLIFIERS FOR WIRELESS COMMUNICATIONS", USA: la jolla.

[8] A. Grebennikov, "H i g h – E ffi c i e n cy B a l a n c e d S w i t c h e d – Pa t h M o n o l i t h i c SiGe HBT Power Amplifiers for Wireless Applications", Austria.

[9] L. Larson, "Wideband Envelope Tracking Power Amplifiers for Wireless Communications", la jolla.

[10] A. Khan, "High Efficiency Two-Stage GaN Power Amplifier with Improved Linearity".

[11] Y. Kim, "An Efficient Simplified Behavioral Model for RF Power Amplifiers", Korea: Dajeon.

[12] G. Collins, "Class-E Power Amplifier Design at 2.5 GHz using a Packaged Transistor", USA: San jose, 2010.

[13] Y. Wei, "High Efficiency Linear GaAs MMIC Amplifier for Wireless base station and Femto Cell Applications", Elliot.

[14] R. Wu, "A SiGe Bipolar-MOSFET Cascode Power Amplifier with Improved Linearity for Low-Power Broadband Wireless Applications", USA: 2012.

[15] J. Miranda, "Optimization Theory Applied to Dynamic Biasing for Power Amplifier Performance Enhancement", Norway.

[16] J. Wood, "Behavioural Modeling of RF Power Amplifiers",
USA: San Diego.

Paulo Toalongo Nació el 3 de Noviembre de 1992 en Azoges; Ecuador, Escuela Primaria Belizario Quevedo, Secundaria en el Colegio Juan Bautista Vazquez, inmediatamente comenzó sus estudios en la Universidad Politécnica Salesiana, siguiendo la Carrera de Ing. Electrica actualmente cursa Quinto Ciclo.

Xavier Niola Edad 23 años. Instrucción Primaria: Escuela Carolina de Febres Cordero, Secundaria: Colegio Técnico Daniel Cordova con el título de bachiller Técnico especialización de Electronica de consumo, actualmente cursa el cuarto ciclo de la carrera Ingeniería Electrónica en la Universidad Politécnica Salesiana.

Autor:

Paulo Toalongo,

Xavier Niola,

Universidad Politecnica Salesiana