מגברי כוח (Power Amplifiers, PA) הופכים בהדרגה לחלק מחיי היומיום. הם נמצאים בשימוש בכל מקום, החל ממשדרים אלחוטיים ורגילים ועד לציוד שמע hi-fi. למגברי הכח (PA) יעילות מאוד גבוהה, הנותנת יתרון טופולוגי בדרגת E למכשירי שידור אלחוטי. אולם, יש מחיר ליתרון זה. קשה לתכנן מעגל PA בדרגת E. התכנון כרוך במספר אתגרים וקיזוזים שיש להבין אותם היטב כדי להשיג יישום מוצלח של המעגל. למרבה המזל, תכנון חדשני המבוסס על סינתזה מבטיח כעת להפוך את התכנון של PA אמיתי בדרגת E לקל יותר מתמיד.
תיאוריה בסיסית: טופולוגיה בדרגת E
כדי לתכנן PA בדרגת E, חיוני תחילה לעסוק בתיאוריה הבסיסית שמאחורי הטופולוגיה. בניגוד לדרגות ההפעלה הקונבנציונליות, מגברים בדרגת E משתמשים בטרנזיסטור כמו מתג שנדלק וכבה בתדר הבסיסי (איור 1). רזונטור סדרתי, שנוסף לפלט, מתפקד כקצר בתדר הבסיסי וכפתח בהרמוניות. מצב זה מאלץ זרם גלי בתדר יחיד לזרום דרך המעגל. כאשר המתג סגור, זרם AC זורם מהרזונטור למתג, יחד עם זרם DC מהספק. כאשר המתג פתוח, הזרם זורם חזרה לרזונטור מההארקה דרך קבל. המתח בקבל הוא האינטגרל של הזרם.
איור 1. מוצגת כאן טופולוגיה סטנדרטית בדרגת E. יש לשים לב שבמעגל PA מסוג זה, מחזור הפעילות הוא פרמטר תכנוני חשוב להבטחת הפעלה מהימנה.
אם הוא מתוכנן כראוי, למעגל במצב מיתוג זה יש פוטנציאל להיות יעיל ב-100 אחוזים. עם זאת, האתגר הוא שהשינויים במתח ובזרם יוכלו להיות כפילויות גבוהות של ערכי אספקת ה-DC. לדוגמה, כאשר המתג מוסט עד לנקודת האמצע (מחזור פעילות של 50 אחוז), שיאי המתח והזרם כפולים פי כמה פעמים מאלה של מתח הספק. שינויים אלה יכולים לגרום לאותות לחרוג ממגבלות ההפעלה הבטוחה של הטרנזיסטור ויש לכך השלכות משמעותיות במונחים של מהימנות.
מתכננים יעדיפו להימנע משינויים כאלה. לכן, השימוש במשוואות המשתנות בהתאם למחזור הפעילות הוא חיוני לתכנון מעגל מוצלח. לרוע המזל, ציון משוואות אלה אינו קל. משוואות לתכנון מעגל שכוללות מחזור פעילות אינן קומפקטיות, כלומר הערכים המתקבלים מבוטאים בדרך כלל בגרף או בצורת התאמה פולינומיאלית. מתכננים צריכים לעתים לבצע אינטרפולציה לערכים מנורמלים מגרפים אלה באופן ידני, ופעולה זו יכולה לסכן את דיוק התכנון.
גישה מסורתית: סימולציית Load-pull והמון סבלנות
באופן כללי מגברי כוח מתוכננים באמצעות סימולציית load-pull. טכניקה זו כרוכה בסריקת מטען הפלט בסדרת עכבות, יצירת מתארים שונים של כוח ויעילות ובחירת ערך המטען שנותן למתכנן את הביצועים הדרושים. לרוע המזל, סימולציית Load-pull לא פועלת היטב עם מגבר במצב מיתוג מורכב כמו דרגת E.
בדרגת E, הביצועים תלויים בהצגת שילוב מדויק מאוד של עכבות יסודיות והרמוניות לצומת הפנימי של המכשיר, יחד עם הרמת הפעלת אות קלט ושילוב נקודת העבודה, שמגדירה את מחזור פעילות המיתוג. כדי למצוא שילוב ספציפי כזה של נקודות באמצעות טכניקה של כוח גס כמו load-pull יהיה צורך ביצירה ומיון של נפחי נתונים עצומים. גם אם יהיה אפשרי לאסוף את כל הנקודות, לא תהיה כל הבטחה שהסימולציה תתכנס או תישאר יציבה בכל שילוב אפשרי של עבודה או עכבה. יכולים להיות תנאים שבהם המודל לא מיועד לשימוש מפני שהמכשיר לא יציב מעצם מהותו או שהסימולציה לא מתכנסת, מה שיכול להוביל לשגיאות באינטרפולציה. אם מתכננים משתמשים בגישה זו באופן אקראי ומסתמכים יותר מדי על דגם המכשיר מבלי להבין את יסודות המעגל, התוצאות יכולות להיות מבלבלות למדי ואף עלול להיגרם נזק למכשיר.
בדרגת E יש צורך בגישת קפדנית יותר לתכנון PA הראשוני. אז מהי התשובה?
גישה חדשה המבוססת על סינתזה: מדויקת ואמינה יותר
כיצד ניתן לתכנן מעגל PA מדרגת E באופן מדויק מבלי להשתמש בסימולציית load-pull או ללא אינטרפולציה ידנית של גרפים ממשוואות מנורמלות? המפתח הוא תהליך תכנון מעגל אינטראקטיבי המבוסס על סינתזה שמסתמך על עקרונות ראשונים כדי לקבל תחזית מדויקת מאוד של ביצועי המגבר אך ורק מסדרת משוואות חוקים התחלתיים. תהליך זה מאפשר למתכנני PA להגיע מהר יותר לנקודת התחלה הניתנת לחיזוי, שאפשר להבין אותה.
השלב הראשון הוא לבצע סינתזה למעגל אך ורק מהמשוואות הזמניות. שנית, המעגל עובר ולידציה באמצעות מתג שעבר אידיאליזציה/טופולוגיית מעגל מקובץ. בשלב השלישי, צורות הגל של המתח/זרם מומרות מתחום הזמן לסדרת עכבות הרמוניות בתחום התדר. ולסיום, בשלב האחרון, כלי תכנון משמשים כדי למטב טופולוגיית מעגל מעשית ובת-ביצוע שתתאים ליעדים של ערכי העכבה בהרמוניות הראשונות.
המפתח לגישה זו הוא הבחירה בכלי הסינתזה (איור 2). באופן אידיאלי, צריכה להיות לו יכולת שמאפשרת למשוואות תכנון כלליות בדרגת E להיות מקודדות באופן אינטראקטיבי כך שסינתזת המעגל מתרחשת בזמן אמת על סמך קלטי התכנון. עם יכולת מסוג זו, המתכנן יכול להזין את הפרמטרים של המכשיר בצג (למשל מתח וזרם מקסימליים, מתח זווית (knee voltage) וקיבוליות פרזיטית פנימית של המכשיר) ולהגדיר מפרטי ביצועים (לדוגמה תדר, מתח ספק DC, כוח יציאה וזווית הולכה). כלי סינתזה זה משתמש לאחר מכן במידע זה כדי לבצע סינתזה במעגל האידיאלי מדרגת E.
איור 2. תכנית השירות לסינתזה Keysight ADS Class E Power Amplifier יוצרת צורות גלי של מתח וזרם בדרגת E בטרנזיסטור, ומנתחת את אלה לנגד מגבלות מהימנות. כדי להוריד עותק חינמי של חלל עבודה זה, עבור אל http://www.keysight.com/find/eesof-how-to-pa-series
כלי סינתזה מסוג זה מציע את היכולת לשרטט ערכי מעגל מול זווית הולכה, ולציין את הטווח התקף שבו מעגל ה-PA יכול לפעול באופן מהימן עם סמנים. זוויות הולכה אלה בין הסמנים הן תקפות, ואלו שמחוץ לסמנים אינן תקפות. כאשר הפעלה עם זווית הולכה כלשהי אינה אפשרית, המתכנן מקבל הודעה באמצעות הודעת אזהרה. גמישות כזאת בתכנון היא קריטית להבטחה שהמכשיר יפעל באופן מהימן תוך עמידה ביעדים של מפרטי ביצועים במעגל בדרגת E.
הגישה החדשה בפעולה
כדי להבין טוב יותר כיצד בדיוק תהליך זה על ארבעת שלביו פועל, אפשר לעיין בדוגמה של PA בדרגת E המתוכנן באמצעות מכשיר Cree GaN MMIC ו-Keysight Advanced Design System – ADS לסינתזה. למכשיר זה יש מתח פריצה של 120V, ערך קבל פנימי של 2.1pF מתח AC ו-DC מקסימלי של 4.5 ו- 3A, בהתאמה. המודל של Cree מאפשר גם הערכה של מחולל הזרם הפנימי של המכשיר, שהוא חשוב מפני שיעדי העכבות המושגים באמצעות תהליך הסינתזה חייבים להיות מוצגים בצומת זה.
שלב 1: סינתזה של המעגל ממשוואות זמניות.
כדי ליצור את התכנון, מוזנים ערכי המהימנות והקבל הפנימי של המכשיר לתוך ADS. המחוונים של המכשיר משמשים לאחר מכן כדי להגדיר את התדר ל- 1GHz, את מתח הספק ל-28 וולט ואת כוח היציאה ל- 25W. הכלי מפיק פלט של טווח זוויות ההולכה שבו ניתן להשתמש לתכנון. במקרה זה, זוויות ההולכה התקפות נעות בטווח של 120-170 זוויות. אם זווית ההולכה נמוכה מ-120 מעלות, זרם ה-RF יחרוג ממגבלות המכשיר; אם זווית ההולכה עולה על 170 מעלות, הערך הנדרש של קבל המיצד (shunt) קטן יותר מערך הפרזיטי הפנימי של המכשיר. האופן האינטראקטיבי של תהליך זה מספק הבנה מלאה יותר של הקיזוזים והמגבלות הכרוכים בו, ועוזר להימנע משגיאות בהמשך התכנון. זווית הולכה של 160 מעלות נבחרת לאחר מכן ומעגל אידיאלי בדרגת E מושג (איור 3).
שלב 2: המעגל עובר ולידציה באמצעות מתג שעבר אידיאליזציה/טופולוגיית מעגל מקובץ.
מטרת הוולידציה היא להתאים את צורות הגל של המתח והזרם AC, הכוח וזרם DC, כך שניתן יהיה לבדוק את המעגל באמצעות מכשיר GaN. כדאי לבצע ולידציה בסביבה אידיאלית לפני המעבר ליישום באמצעות טרנזיסטור אמתי. במקרה זה מתבצעת ולידציה של המעגל באמצעות אמת מידה פשוטה של סימולציה. הטרנזיסטור נבנה באמצעות רכיב מתג וערכי המעגל מובאים מכלי הסינתזה. לאחר מכן מופעלת סימולציית איזון הרמוני. באיור 3 ניתן לראות שתוצאות הסימולציה הן בהסכמה טובה מאוד עם צורות הגל החזויות. רמת הסכמה זו עם תוצאות של סימולציה היא טיפוסית לכלי הסינתזה, והוולידציה בוצעה.
איור 3. בצד שמאל של התמונה מופיע מעגל אידיאלי בדרגת E. הגרף מימין מראה את הוולידציה של המעגל שעבר סינתזה. הקווים הרציפים בגרף הם הסימולציה, ואילו הקווים המקווקווים הם תחזיות ממשוואות הסינתזה. התוצאה של סימולציה אידיאלית של אותות גדולים היא יעילות של כ-99.9 אחוזים.
שלב 3: צורות הגל של המתח/זרם מומרות מתחום הזמן לסדרת עכבות הרמוניות בתחום התדר.
כדי ליצור PA מציאותי, המעגל האידיאלי מתורגם לתצורה פיזית יותר. פעולה זו מתבצעת באמצעות התמרת פורייה (Fourier transform) של הסימולציה של צורות הגל של המתח והזרם מדרגת E, ולאחר מכן התאמה של העכבות ההרמוניות המתקבלות בתחום בשלב 4.
שלב 4: כלי תכנון משמשים כדי למטב את העכבות המוצגות על ידי טופולוגיית מעגל מעשית ובת-ביצוע שתתאים ליעדים של ערכי העכבה בהרמוניות הראשונות.
בשלב האחרון, טופולוגיית מעגל כלשהי שמספקת את העכבות הנכונות לתדרים ההרמוניים תוביל לרכיבי פורייה שישתלבו כדי לספק את צורות הגל המרוכבות הדרושות של המתח והזרם בתחום הזמן. למעשה, יש טופולוגיות מעגל רבות שיש להן את הפוטנציאל לספק שילוב זה של עכבות. בדרך כלל, המתכנן צריך להתאים רק את ההרמוניות הראשונות הספורות כדי להתקרב מאוד לצורות הגל האידיאליות.
איור 4 מציג את חיתוך המעבר הראשון בפועל בתכנון מעגל פיזי שנוצר על ידי ביצוע של ארבעת השלבים האלה. לחיבורי כניסה ויציאה ל-IC נעשה שימוש ברכיבי EBOND כדי לבנות מודל של חוטי החיבור ורכיבי SMT שימשו לחסימה ומעקף. במקרים אחרים, קווי השידור שימשו לביצוע כל ההתאמות.
איור 4. החלק העליון של התמונה מציג את מעגל בדרגת E הפיזי עם החיתוך הראשון המבוסס על מכשיר GaN מ Cree. הגרף התחתון מראה הסכמה טובה בין התחזיות מכלי הסינתזה והסימולציה של צורות גל במכשיר.
התכנון מייצר צורות גל דומות, כוח יציאה דומה וזרם DC דומה בהשוואה למקרה האידיאלי, עם יעילות פריקה של 90 אחוזים. תוצאות אלה מתאימות היטב גם לתחזית המקורית מכלי הסינתזה של תכנון המשמש בשלב 1. יש הסכמה מצוינת בשתי צורות הגל וכן בכוח ובזרם ה-DC. דיוק זה מועיל במיוחד למתכננים שמנסים למקסם את הביצועים מבלי לאבד את היציבות.
לצפייה בסרטון קצר המתאר תכנון זה בפירוט, עבור אל http://www.keysight.com/find/eesof-how-to-pa-series
מסקנה
אמנם תכנון PE בדרגת E יכול להיות משימה קשה, אך תהליך תכנון חדשני מציע כעת חלופה פשוטה ומהירה יותר לטכניקת סימולציה של load-pull. התהליך מסתמך על עקרונות ראשונים ומאפשר למתכננים לקבל במהירות נקודת התחלה ניתנת לחיזור ולהבנה לגבי המעגל. מכאן, מתכננים יכולים להמשיך בדרך וליצור דגמים מדויקים ופיזיים יותר, וכן להקדיש זמן נוסף לאתגרים כגון הגדלת רוחב הפס, השגת יציבות בתנאים שונים ומזעור הרגישות של המגעל לתהליך ולסטיות באריזות.
