Modulazione d’ampiezza per sistemi 3G

L’obiettivo finale di questo lavoro di tesi, è stato quello di studiare e realizzare un PA in classe E poiché sembra poter essere la classe più idonea e che meglio si adatta a tutte le specifiche richieste dagli standard innovativi di ultima generazione della telefonia mobile.
Si è osservato che il PA deve avere degli ottimi requisiti di linearità e di efficienza; in più, lo standard 3G richiede una modulazione di ampiezza oltre che di fase: PA in classe E presenta la caratteristica di avere una relazione di diretta proporzionalità tra tensione di alimentazione e tensione di uscita, verificata in fase di simulazione, nonché di misura.

Fig. 64.5: Diretta proporzionalità tra tensione d’uscita di un PA in classe E e sua tensione di alimentazione.

Ciò rende possibile amplificare un segnale a inviluppo costante modulato in fase per poi modularlo in ampiezza agendo direttamente sulla tensione di alimentazione. A tal proposito, ci sono vari approcci (5).
Una di queste è la tecnica di controllo digitale che fa uso di un microprocessore il quale seleziona il giusto valore della tensione di controllo da una look-up table per trasmettere l’adeguato inviluppo. Uno dei svantaggi di questa tecnica, tuttavia, è che è richiesta una calibrazione per ogni singolo apparato che esce dal processo di produzione per ovviare alle variazioni dei componenti.
Una tecnica più versatile è quella che agisce tramite controllo sulla tensione di alimentazione dello stadio di amplificazione al quale meglio si adatta il PA in classe E (fig. 65.5).

Fig. 65.5: Modulazione d’ampiezza mediante controllo sulla tensione di alimentazione.

In tal caso, esiste una dipendenza quadratica tra il segnale di controllo e la potenza d’uscita a RF. I vantaggi che ne scaturiscono sono:

1. la potenza d’uscita è prevedibile dopo una semplice calibrazione;
2. il controllo del PA agisce su un ampio range dinamico;
3. non si riscontrano ulteriori perdite nel circuito d’uscita.

Il grande svantaggio di questa tecnica è la presenza del MOSFET  a causa dell’ampia escursione della corrente di alimentazione, determinando un aumento dei costi e delle dimensioni del terminale mobile. Inoltre, il MOSFET presenta una resistenza compresa tra i 20 e i 100 mΩ, il ché riduce oltremodo l’efficienza del sistema.
Una ulteriore tecnica si basa sul controllo della corrente di alimentazione (fig.66.5), basata anch’essa sulla relazione quadratica tra potenza d’uscita e corrente di alimentazione.

Fig. 66.5: Modulazione d’ampiezza mediante controllo sulla corrente di alimentazione.

La corrente di alimentazione del PA è convertita in tensione attraverso la R_sense presente nel ramo di alimentazione, per poi confrontarla con la tensione ai capi di R₁, la quale è proporzionale alla tensione di controllo V_pc

 .

L’amplificatore d’errore controlla il guadagno del PA in modo che se V_Rsense e V_R1 sono sempre uguali, la corrente fornita al PA è

 .

Nota la caratteristica P_out – I_supply per un dato PA, si può impostare accuratamente la potenza d’uscita agendo sulla tensione di controllo V_pc
Il vantaggio di questa configurazione è che è possibile integrare nello stesso chip sia il circuito di controllo che il PA, ponendo il solo Rsense esternamente. Tuttavia, questa tecnica presenta vari svantaggi:

1. perdite in corrispondenza di alti livelli di potenza, dovuta alla caduta di  tensione ai capi della R_sense;
2. bassa sensibilità ai bassi livelli di potenza che determinano un range dinamico limitato. La tensione ai capi della R_sense diviene piccola rispetto al rumore e alla tensione di offset dell’amplificatore d’errore;
3. la R_sense deve esser stabile termicamente e capace di far fronte ad alte correnti, il che richiede un SMD relativamente grande;
4. l’amplificatore d’errore deve essere poco sensibile alla tensione d’ingresso di modo comune.
   

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