4.11: Resumen

La realización de amplificadores de potencia eficientes es uno de los aspectos más competitivos del diseño de RF y microondas. Los amplificadores de potencia deben operar con alta eficiencia y, por lo tanto, el funcionamiento es fuertemente no lineal. El diseño del amplificador lineal es solo una guía aproximada para el diseño del amplificador de potencia. Los amplificadores de potencia afectan significativamente el costo y la confiabilidad de los frontales de RF. Esto es cierto para los amplificadores de estación base que producen cientos de vatios, e igualmente cierto para los amplificadores de potencia de teléfonos que producen cientos de milivatios. El costo de un transistor de potencia es significativo, por lo que debe operar cerca de su capacidad de salida de potencia. Es importante que el diseñador de amplificadores de potencia extraiga cada bit de rendimiento de los transistores de potencia, ya que cada décimo de decibelios es significativo.

En una estación base, el costo de la electricidad para el front-end de RF, determinado en gran medida por el amplificador de potencia, y por el aire acondicionado requerido puede ser una parte significativa del gasto operativo de la estación base. Con los teléfonos, la eficiencia del amplificador de potencia de RF afecta la duración de la batería. Si bien se sabe cómo construir amplificadores con alta eficiencia combinando los conceptos presentados en este capítulo, combinar demasiados conceptos puede resultar en un esfuerzo de diseño largo y costoso. El costo de diseño y la posible necesidad de sintonizar manualmente amplificadores individuales pueden aumentar apreciablemente el costo unitario de cada amplificador. Se debe gestionar el costo del diseño y los diseñadores deben considerar el requisito de sintonización de amplificador individual. Por ejemplo, no es razonable sintonizar amplificadores de potencia de microteléfono individuales pero es para amplificadores de potencia de estación base. La compensación para los amplificadores de estación base será diferente de la compensación para los amplificadores de teléfono, que tienen volúmenes de unidad que pueden ser muchos órdenes de magnitud mayores. Los amplificadores de microteléfono se alimentan directamente desde la fuente de alimentación de la batería sin regulación de voltaje. Por lo tanto, el diseño del amplificador de potencia del microteléfono debe hacer frente a tensiones de suministro limitadas que pueden caer a medida que la batería se descarga. El voltaje de suministro limitado también restringe la elección de tecnologías de transistores.

Como ocurre con la mayoría de los aspectos del diseño de RF, la intuición y la experiencia son importantes para guiar la selección inicial de topología. Esto suele ir seguido por el diseño asistido por computadora y luego la optimización en el banco. Todos los amplificadores de potencia requieren optimización manual, en el banco, durante el diseño, ya que hay muchos efectos que no se pueden explicar completamente en los modelos utilizados en los simuladores de circuitos de microondas. Los amplificadores de potencia deben competir con señales cuya potencia promedio puede variar significativamente de un paquete a otro, y que pueden tener una relación muy grande de potencia de envolvente pico a potencia de envolvente media (es decir, PMEPR grande). El procedimiento de diseño estándar es llegar a una topología exitosa y un diseño inicial usando diseño asistido por computadora. Luego se usa carga y tracción en el laboratorio para optimizar las condiciones de carga para señales moduladas digitalmente reales. Es posible que sea necesario cambiar la topología para acomodar los cambios necesarios identificados durante la carga y extracción.

Uno de los costos significativos y fuentes de degradación de confiabilidad en un teléfono es el uso de múltiples tecnologías para diferentes partes del front-end de RF. Esto requiere una integración heterogénea en lugar de una integración monolítica más confiable. Por ejemplo, en un microteléfono sería deseable implementar un amplificador de potencia en silicio para que pueda integrarse con el controlador de silicio y otros circuitos. Sin embargo, actualmente es más factible obtener altas eficiencias con dispositivos semiconductores compuestos como los transistores HBT y PhemT.

Idealmente, los amplificadores de estación base usarían transistores de silicio, serían capaces de amplificar eficientemente muchas portadoras (con PMEPRS excediendo\(20\text{ dB}\)) simultáneamente, ser capaces de operar de\(500\text{ MHz}\) a\(5\text{ GHz}\), y ser reconfigurables para futuras aplicaciones imprevistas. Del mismo modo, los teléfonos celulares deben soportar múltiples bandas y una consideración importante es si se utilizan amplificadores de potencia separados para cada banda. Idealmente, un teléfono usaría un solo amplificador de potencia de silicio como parte de un RFIC que contiene el resto del extremo frontal de RF, lograría eficiencias de\(60\%\) o mayores, y operaría a partir de voltajes de suministro que varían entre\(2\) y\(3\) voltios.

El espectro de RF ahora se está explotando más allá\(200\text{ GHz}\) y se requieren amplificadores de potencia de\(100\) s de megahercios a más de\(200\) gigahercios. Actualmente los amplificadores con mayor potencia de salida en esta gama fusionan amplificadores de potencia basados en semiconductores con tecnologías de amplificadores basados en tubos de vacío.

El diseño del amplificador de potencia es una compensación de las tecnologías disponibles que permiten el diseño con un diseño manejable y costos operativos al tiempo que logran las potencias y eficiencias requeridas. Hay un gran espacio de compensación y existe una oportunidad significativa para brindar soluciones competitivas.