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ADSL線路驅動器的效率運算方法

上網時間: 2003年10月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ADSL  driver,amplifier  非對稱數位用戶線路,驅動器,放大器  功耗  A類放大器 

ADSL訊號的波峰因素要求電源提供足夠的淨空間電壓,使電源電壓比維持平均輸出的電壓高很多,因而增加了靜態功耗和平均功耗。本文藉由對驅動電路進行分析,介紹了一些快速確定不同驅動結構的效率運算方法。

ADSL已成為連接家庭用戶的一種主要寬頻通訊技術,該技術基於現有的電話雙絞線來提供高達10Mbps的傳輸速率。在局端,每一位用戶都有一個專門的由數據泵、類比前端和線路驅動器組成的‘埠’。雖然CMOS特徵尺寸不斷減少使得數位數據泵性能得到不斷提升,但是由於線路驅動的功率和電壓要求使得CMOS方案難以實現。採用非標準製程意味著線路驅動仍需要高速雙載子性製程,其結果是驅動功能佔整個系統功耗的比重越來越大。而另一方面,系統設計工程師不斷努力增加電路板的密度,降低系統的複雜性,因此必須降低驅動放大器的功耗。目前設計工程師透過採用諸如綜合輸出阻抗和新型放大器結構等技術,已經解決了線路驅動效率問題。圖1:運算驅動阻性負載時的效率, 必須知道輸出訊號的均方根值、均值和峰值。

ADSL線路驅動器需要在普通100Ω的雙絞線上加一個20.4dBm(110毫瓦)的訊號,ADSL訊號由256個離散音訊段組成,功率密度為-40dBm/Hz,最終的訊號特徵類似於均方根電平為3.31V的噪音。為了保持低誤碼率,峰值訊號不能超過放大器的輸出範圍,否則高出的訊號將會被截去。目前的標準要求當峰值訊號電平是均方值的5.3倍時(即17.54V峰值)放大器不能出現失真,因此放大器的電源電壓要足夠高,以滿足如此高的峰值╱平均值比率,這是效率問題的徵結所在。

驅動阻性負載的AB類放大器如圖1所示。在理想狀態下,電源加到負載上的功率為VOrms2/RL,加到系統上的功率與電源輸出的平均電流VOave/RL和電源電壓Vs的乘積成正比,效率就是這兩個功率的簡單比值。對很多波形來說,Vave/Vrms的大小可以很容易運算出來,這些波形以及相應的電壓比值分別為:方波,1;正弦波,2√2/π;高斯噪音,√2/π。對一個理想放大器而言,Vs就是峰值輸出電壓Vp。這種情況下效率減少到VOrms2/VpVOave。從該式可以看出,輸出訊號的電壓均方根值、均值和峰值這三個特徵值對於運算效率都是必須的。對於ADSL訊號(高斯訊號),採用理想AB類放大器的效率為0.24(Vs=17.54V, VOrms=3.32V, 靜態功率Pq=0(見公式2))。

應用中存在的問題

然而,下面的兩點使問題更加複雜化:首先,總有一些偏置電路和參考電路要消耗掉一部份靜態功耗(Pq);其次,考慮到電晶體及其它元件上不可避免地會產生壓降,實際放大器的Vs總要比Vp高一些。ADSL訊號線上的峰值電流大約為175mA,因此良好的線路驅動器都要求1至2V的淨空電壓。ADSL訊號波形的波峰因素(crest factor)即峰值對平均電壓的比率是產生上述問題的原因所在,要求電源為很少出現的峰值提供比維持平均輸出要高得多的淨空間電壓,因而增加了靜態功耗和平均功耗。

值得注意的是,放大器輸出級的一些偏置電流實際上加到負載上去了,這意味著大多數情形下實際的Pq值比產品手冊上所聲稱的值小,對於不同結構的放大器會有所不同。將實際的電源電壓Vs替換Vp,並加上靜態功耗Pq,效率公式可以重寫成公式1的形式,其中,PO是加在放大器輸出端負載上總的功率,PO/E是系統的總功率。ADSL訊號的效率運算如公式2所示。

將這些結果應用到第一代AB類ADSL放大器中(見圖2)。返回訊號由電阻實現終結,每個電阻的阻值等於期望電阻的一半,這意味著放大器必須對負載提供23.4dBm的功率,一半的輸出功率都將損耗在這些電阻上。因此,在運算淨功耗(PO = 220mW)時必須把該因素考慮進去。此外,由於這完全是一個微分電路,在效率公式中我們使用VOrms微分的一半。表1:採用不同放大器的效率比較。

圖2中的變壓器提供了隔離和阻抗變換功能,改變變壓器的線圈匝數比可以提供滿足驅動要求的電壓。實際上,對於沒有淨空電壓要求和靜態電流的理想放大器來說,很重要的一點就是每個匝數比(N)都有一個對應的Vs值,並產生同樣最大的效率。但是,高匝數比會產生很小的驅動阻抗、高峰值電流以及高被動損耗,因此,一般都要避免採用高匝數比。由於Pq值會隨Vs增加而增加,對淨空電壓(以總電壓百分比表示)的要求隨Vs增加而降低,因此,對於每一個特定的匝數比,放大器實際上都會有一個峰值效率。如果在某一個匝數比所對應的Vs值和峰值輸出電流與系統的要求一致,那麼這個匝數比就是一個理想的選擇。第一代放大器要求的典型參數值為:±15V電源電壓、15mA靜態電流、匝數比為2:1,因此整個放大器的功耗為2.4W。由於其餘的單埠功率已經減少到400mW以下,放大器的這種功耗水準是不可接受的。

目前的ADSL系統幾乎都在反向終結電阻上採用綜合輸出阻抗來減少傳輸時的損耗(見圖3),這使得透過運算阻值給出適當的終結電阻和正向增益成為可能,但採用該方法會使返回訊號衰減。值得慶幸的是,目前的接收放大器性能已經有很大的提高,線路終結電阻的阻值可以降低近10倍,因此放大器只須提供121mW的輸出功率,以提供110mW的線路驅動功率。現在的AB類驅動器性能也有很大改進,在±12V時只需要4mA的電流,產生的總功耗約750mW。

雙電源設計

採用雙電源,設計工程師就能同時滿足靜態功耗和高Vs電壓的問題。在實際應用中,一組低電壓電源提供大部份靜態電流和輸出驅動,另一組高電壓電源只提供峰值訊號電壓。採用雙電源的放大器至少有兩類:第一種為G類放大器,它有幾組外部電源;另一種為H類放大器,其電荷泵電路會根據需要將低電源電壓提高。H類放大器的優點是不需要額外的外部高電壓電源,目前市場上已有只需要一個12V電源的H類ADSL放大器。

由於存在上面幾種不同情況,現在的效率運算更複雜。對於ADSL而言,必須運算兩個區域的平均輸出電壓:輸出電壓從0轉換成VT時,VT為輸出端的轉換電壓,此處電流從低電壓電源切換到高電壓電源;電壓從VT至無窮大時,電流由上端的電源提供。在運算電源所提供的功率時,分母有兩項:對於G類放大器,一個電源就有一項;對於H類,需要額外的一項來運算電荷泵的電流。電荷泵電容器的電流按時間的平均值必須為0,這樣在峰值時的電源電荷必須要用+V電源或-V電源電流代替,即公式4第二項中的倍數2。與上面的形式相同,效率的兩個公式如公式3和4所示。圖4:利用圖中的電路可以得到圖4中的參數值。

很明顯,當VT/VOrms接近2時,採用G類放大器的效率具有一個峰值,這意味著在大約3.3V附近存在一個轉換點。一個理想的G類放大器Vs1應該為3.3V,Vs2要正好等於峰值訊號電壓8.77V。在該條件下的效率為0.51。

在雙電源系統中,電荷泵可以將±Vs提高3倍,因此理想的H類放大器Vs為2.92V(8.77V/3),效率為0.58。淨空電壓和允許透過二極體的壓降來隔離兩個電源意味著可以採用約為±5V的主電源,在電源電壓為5V、靜態電流為10mA時,H類放大器總功耗可以達到450mW,低功耗特性得到很大的提高。

表1為不同類放大器的性能比較,表中的所有結果都是由圖4的電路得到。第一步是運算PO和VOrms,PO是線上總的輸出功率(110mW)再加上所有的損耗,這?只考慮了產生在後端終結電阻上的功耗121mW。VO為輸入電壓乘以N再除以k得到的線上電壓,選擇N和k使VOrms為1.66V時的淨倍增因子為1。

作者:Scot Wurcer


Analog Device Inc.


Email: scott.wurcer@analog.com




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