I moderni sistemi di comunicazione impiegano segnali modulati digitalmente a larga banda con un rapporto fra potenza di picco e media (PAPR) molto alto al fine di aumentare l'efficienza spettrale e massimizzare il data rate. Tuttavia, le modulazioni digitali ad elevato PAPR sono particolarmente svantaggiose per l'amplificatore operante a radiofrequenza (RF) perché per la maggior parte del tempo è costretto ad operare in back-off di diversi dB rispetto alla potenza nominale e, di conseguenza, con una efficienza molto bassa.
Una tecnica comunemente usata negli apparati RF per migliorare l'efficienza dell'amplificatore finale (HPA) è lo envelope tracking (ET), che utilizza una tensione di alimentazione variabile proporzionalmente all'inviluppo del segnale da amplificare, così da mantenere la condizione di esercizio dello RF HPA più vicina a quella assai più efficiente di massima potenza. L'idea è quella di assorbire e processare meno energia dall'alimentazione quando sul carico è richiesta meno potenza; tuttavia, ai fini dell'efficienza complessiva del trasmettitore diventa altrettanto importante l'efficienza del convertitore che regola l'alimentazione variabile con l'inviluppo. Inoltre, poiché il guadagno dello HPA è variabile con la tensione di alimentazione, in genere alla tecnica di ET deve essere associata una predistorsione digitale (DPD) del segnale di ingresso in modo da ripristinare un comportamento lineare del processo di amplificazione. Dunque, l'alimentatore a tensione variabile utilizzato per applicazioni di ET (l'amplificatore di inviluppo) deve avere la massima efficienza di conversione possibile con prestazioni molto elevate sia di banda che di dinamica a piena potenza (slew rate), generando nel contempo solo distorsioni che possano essere facilmente controllate e compensate.
L'architettura di ET proposta utilizza un convertitore di potenza multilivello che si basa sulla conversione diretta digitale-analogica di tre sorgenti DC isolate con tensioni fra loro in rapporto di 2, così che otto possibili livelli di tensione in uscita possano essere generati, in funzione della loro connessione in cascata o meno attraverso l'impiego di tre circuiti commutatori elettronici (3 legs). I segnali isolati necessari al controllo dei legs provengono direttamente dal controllore digitale in banda base (FPGA) che, conoscendo a priori la potenza che lo stadio finale deve trasmettere, decide quale sia la tensione di alimentazione più adatta a massimizzarne l'efficienza e predistorce l'ingresso RF per preservare la linearità. Non c'è bisogno di chiudere problematici anelli di retroazione se si garantisce allo stadio HPA un adeguato allineamento temporale fra le commutazioni della tensione di alimentazione (drain) e il segnale RF predistorto (gate). Ogni leg è composto di due dispositivi al nitruro di gallio (GaN) su substrato di silicio operanti da interruttori veloci allo stato solido, montati con la tecnologia ball grid array (BGA) su una board estremamente compatta per ridurre al minimo i parassiti, così da garantire minime perdite di commutazione anche alle elevate frequenze che competono all'inviluppo.
Questa conversione digitale-analogica di potenza realizzata dal circuito rende a tutti gli effetti questo alimentatore a tensione variabile un "power-DAC". Il circuito è capace di commutare fra due qualunque delle otto possibili tensioni di uscita in pochi nanosecondi, del tutto compatibilmente con applicazioni di ET di segnali modulati con banda fino a 80 MHz e con potenze di picco di qualche decina di watt. L'efficienza è variabile dallo 80% al 95% e le distorsioni indotte dalle commutazioni della tensione di alimentazione si sono dimostrate sotto controllo e del tutto compensabili tramite DPD.
Il power-DAC è stato efficacemente usato anche in applicazioni radar al fine di aumentare l'efficienza qualora si utilizzino segnali di chirp evoluti per il confinamento dello spettro (impulsi RF con opportune finestrature temporali che ne modulino l'ampiezza durante il duty-cycle).
Altre possibili applicazioni del power-DAC riguardano quelle dove è richiesta la generazione di sequenze di impulsi programmabili per il pilotaggio di dispositivi come LED o attuatori meccanici: pulse-width modulation (PWM), discrete pulse-amplitude modulation (PAM) e pulse-position modulation (PPM) sono tutte forme d'onda di pilotaggio realizzabili con caratteristiche di elevata potenza e banda attraverso l'uso del power-DAC.
Ulteriori dettagli in: "Envelope Tracking of an RF High Power Amplifier with an 8-level Digitally Controlled GaN-on-Si Supply Modulator", C. Florian, T. Cappello, R.P. Paganelli, D. Niessen, F. Filicori, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, Vol. 63, NO. 8, August 2015.
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