Bandwidth extension techniques for high-efficiency power amplifiers

Abstract

Aquesta tesi tracta sobre amplificació de potència d'alt rendiment de senyals variables en el temps; concretament, tracta sobre conversió de potència eficient (amb mínimes pèrdues) de tensions DC continues en senyals de tensió no constants. Aquest tipus de conversió de potència està present en la majoria de dispositius electrònics d'ús quotidià, com ara telèfons mòbils i reproductors de música portàtils, així com també en dispositius d'alta potència com amplificadors d'àudio i estacions base de telefonia mòbil. Generalment l'energia està disponible en forma de tensió DC contínua (d'una bateria o d'una font d'alimentació). D'acord amb la informació a transmetre, aquesta energia s'ha de processar o transformar en un senyal variable en el temps de manera que, per exemple, es pugui convertir en àudio per un altaveu . La tendència de mercat és a reduir la mida i el pes dels dispositius electrònics i a oferir noves funcionalitats, incloent una llarga autonomia en dispositius alimentats per bateries. Millorar l'eficiència dels amplificadors de potència no només n'estendria l'autonomia, sinó que també permetria utilitzar dissipadors més petits i lleugers. Altres aplicacions com les d'alta potència o integrades també es beneficiarien de millores en l'eficiència dels amplificadors de potència. Els dispositius electrònics de processament de potència més eficients són els amplificadors commutats. Aquests utilitzen components reactius (bàsicament bobines i condensadors) per dur a terme un processament de potència idealment sense pèrdues, així com dispositius actius (transistors) controlats com interruptors (o bé tancats o bé oberts), per tal de controlar aquest procés. Tot i que es poden assolir eficiències molt altes amb amplificadors commutats, la precisió de seguiment pot no ser gaire bona. Es pot millorar la precisió de seguiment senzillament incrementant la freqüència de commutació (la freqüència a la qual es fan commutar els interruptors), tot i que, com que es requereix una certa quantitat d'energia per fer commutar cada interruptor (pèrdues de commutació), aquesta tècnica també deteriora l'eficiència de l'amplificador. Existeix doncs un comprimís entre la freqüència de commutació i la precisió de seguiment en els amplificadors commutats (compromís eficiència-distorsió). Els amplificadors commutats habitualment es dissenyen per treballar a una freqüència de commutació alta comparada amb l'amplada de banda que han de seguir. Mentre que amb aquesta estratègia de disseny (i tecnologia actual) es poden dissenyar amplificadors per seguir senyals de l'ordre de kHz, si s'aplica per seguir senyals de l'ordre de MHz, els amplificadors haurien de treballar a freqüències de commutació massa altes, inviables des del punt de vista de les pèrdues de commutació. Amb l'objectiu d'abordar el compromís entre distorsió i eficiència dels amplificadors commutats, aquesta tesi explora diferents tècniques per estendre l'amplada de banda relativa dels amplificadors commutats, és a dir, tècniques per reduir la relació entre la freqüència de commutació de l'amplificador i la seva amplada de banda de seguiment. Basant-se en una interpretació alternativa dels amplificadors commutats, com a procés de codificació i reconstrucció, les diferents tècniques d'extensió de banda que aquí s'exploren contemplen utilitzar modulacions alternatives, amplificació de potència multi-nivell, filtrat d'ordre elevat i polítiques de commutació millorades en els convertidors commutats. La caracterització de les prestacions en termes de freqüència de commutació, error de seguiment i robustesa davant no idealitats (incloent compatibilitat electromagnètica i acoblament entre canals) apunta la idoneïtat de l'amplificació de potència multi-nivell basada en moduladors asíncrons per dissenys que treballin a freqüències de commutació relativament baixes, és a dir, a freqüències de commutació comparables a l'amplada de banda del senyal a seguir i amplificar.

This thesis is about power amplification of time-varying signals; more precisely, it is about efficient power conversion, i.e. with minimum losses, of DC constant voltages into non-constant voltage signals. This kind of power conversion is quite common in power-management circuits and electronics in general. It is present in most everyday use electronic devices, including mobile phones, portable audio players and routers, as well as in high-power devices such as audio amplifiers and wireless base stations. In most electronic devices, whether portable or not, the energy is available as DC constant voltage (typically from a battery or a power supply). According to the information to transmit, this energy must be processed or transformed into a time-varying analogue signal so that, for instance, it can be directly converted into audio by a speaker or radiated by an antenna. The market trend is to reduce the size and weight of electronic devices whilst offering new or enhanced functionalities, including long autonomy in battery-powered devices (mainly portable). Improving the efficiency of power amplifiers not only extends the autonomy, but also allows using smaller and lighter heatsinks. Other applications such as high-power or embedded would also benefit from efficiency improvements of switching amplifiers. The most efficient power-processing electronic devices are switching amplifiers. Switching amplifiers use reactive components (mainly inductors and capacitors) to perform an ideally lossless power processing, and active devices (transistors) driven as switches, either ON or OFF, to control this process. Whilst very high efficiencies can be achieved with switching amplifiers, their tracking fidelity may not be very high. The tracking fidelity can be improved by simply increasing the switching frequency (i.e. the frequency at which the active devices are driven), although, provided that a certain amount of energy is required to switch the state of each active device (switching losses), this technique also degrades the efficiency of the amplifiers. Therefore, there exists a trade-off between switching frequency and tracking fidelity in switching amplifiers (efficiency-distortion trade-off). Switching amplifiers are typically designed using a high switching frequency compared to the amplifier's tracking bandwidth. Whilst this design strategy leads to feasible designs for kHz-bandwidth applications (using state-of-the-art technology), when applied to MHz-bandwidth applications, it leads to designs operating at very high switching frequencies, unfeasible with regard to switching losses. With the scope of addressing the efficiency-distortion trade-off of switching amplifiers, this thesis explores different techniques to extend the relative bandwidth of switching amplifiers, i.e. techniques to reduce the ratio of the amplifier's switching frequency to the amplifier's tracking bandwidth. Based on an alternative interpretation of switching amplifiers, as an encoding-reconstruction process, the different bandwidth extension techniques consider using alternative modulations, multi-level power amplification, high-order filtering and enhanced switching policies in the switching converter. The performance characterisations in terms of switching frequency, tracking error and robustness against non-idealities (including electromagnetic compatibility and crosstalk) points out the suitability of multi-level power amplification based on asynchronous modulators for designs operating at relatively low switching frequencies, i.e. at switching frequencies in the same range than the bandwidth of the signal to track and power amplify.