设计兼顾高线性和高效率的RF放大器

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  基站和手机中的RF放大器都需要具有高线性度和高效率。通过采用一些聪明的技巧,设计师可以兼顾这两个互斥的要求。

  要 点

  新手机标准要求采用线性RF放大器。

  提高线性通常会影响效率。

  数字预失真是获得高线性和高效率的一个方法。

  Doherty放大器实现了一种用硬件改善效率的方法。

  非线性系统建模和仿真比较困难。

  手机采用了现代调制方案,该方案要求线性放大RF信号。为了达到所需线性度,典型的做法是在输出端消耗更多的功率。该方法会降低效率,而对于手机、基站或其他电子系统,效率是最重要的参数之一。

  在电信领域,手机和基站都很强调对效率的要求。对于手机,效率会直接影响电池的使用寿命。通过提高手机效率,还可以延长通话时间,这对于手机是最基本的功能。而对于基站来讲,效率高会减少电费,同样重要的是,还可降低发热量。降低发热量和功耗会产生一系列结果,从而降低初始投资、运营成本和总体拥有成本。

  在较早的手机调制设计中,输出级的线性并不重要,因为解调并不要求信号必须是线性的。GSM(全球移动通信系统) 通信技术中的CW(连续波)、FM(调频)和GMSK(高斯最小频移键控)都具有恒定的包络线,不需要线性放大。而新调制技术(如EDGE,即增强型数据速率GSM演进)则需要采用线性放大器。可通过欠驱动(underdrive)RF放大器,使输出信号和电源电压间留有足够的差值,从而达到线性度要求。但该方法的问题在于它会直接降低放大器的效率。

  当输出摆幅达到电源电平时,单晶体管输出级效率会提高。如要提高效率,要选择合适的电源电压和负载阻抗,使输出级摆幅接近电源电平。该方法中输出晶体管消耗的平均功率较低,因为在输出信号接近电源电压时输出晶体管承受的电压始终比较低。

  然而遗憾的是,将输出信号驱动到接近电源电平时会导致放大器的线性变差。任何放大器,只要其电路设计使其输出摆幅接近电源电平值,线性都会比较差。放大器线性问题最终以放大器削波的形式表现出来,受电源电压所限,信号变化无法正确地表示出被放大的输入信号(图1)。

图1
图1,通过对比蓝色的输入和黄色的中度削波波形或是红色的严重削波波形,可以清楚地看到削波失真的情况。与图中类似的对称谐波在频域作为奇次谐波出现。放大器非线性产生调制中失真,该失真与两个输入音无谐波关系。

  对线性的要求

  尽管不好理解,但在许多RF系统设计中,线性并不是最主要的问题。事实上,设计师常选用C类放大器,这充分表明,对于某些类型的通信信号,输入正弦波并不一定是最关键要求。例如,调频电台的RF信号就是如此。在发送调频信号时,波形过零点就可以包括信号的所有信息。即使波峰失真,解调信号保真度也不会受到影响。过激励的FM电台信号会产生载波频率的谐波,从干扰角度来看,这些谐波可能是有害的,但调谐到过激励FM电台信号的收音机仍可正常工作(图2)。

图2,调频信号y(t)不受放大器非线性影响。 信息包含在过零点中,而非幅值中,因此放大器幅值失真不会引起问题。
图2,调频信号y(t)不受放大器非线性影响。 信息包含在过零点中,而非幅值中,因此放大器幅值失真不会引起问题。

  过去10年以来,获取手机射频频带的高成本和对收益的追求,促使人们设计出可在较窄频带中传输更多信息的先进的调制方案。这些方案的一个主要优点是它们具有较高的带宽效率。带宽效率以每兆赫多少兆位数据或是每秒每赫兹多少数据位来表示。新近提议的手机标准(如EDGE)中包括的信息远不止是信号过零点信息。新的手机调制方案(如QAM,即正交幅度调制)在RF载波频率包络信号的相位和幅值上都承载有信息。请看一下经典的64-QAM(64状态QAM)向量星座图(图3),信号相位和幅值都采用一系列符号向量来生成RF信号的包络。由于有64个向量,任一向量承载的信息可以表示6位的数字信息,从而使64-QAM方案具有了较高的带宽效率,达到了6 Mbps/MHz。

图3
图3,64-QAM星座图每个符号向量可编码6位数据。有些向量容易出现相位误差,有些向量容易出现幅值误差。在这两种情况下,波形包络的精度都很重要,这就使放大器线性问题变得非常重要。

  在这样的高级调制方案中,线性差会带来一些问题。由于解调器需要的信号的幅值和相位都要准确,所以信号的即时精度非常重要;而在FM传输中则只有过零点才有意义。如果工作信号将RF功率放大器激励到接近输出电平,晶体管会达到饱和,在信号中加入其固有对数非线性成分。结果导致放大器编码的符号向量丢掉正确的幅值和相位。非线性问题严重到一定程度,符号会重叠并导致信息丢失。

  有些方案可以解决晶体管固有的非线性问题,但在晶体管对数传递函数工作点处晶体管会出现偏差。因此,实现这样的解调方案会比较困难。另外,在晶体管输出接近电源电平时,晶体管的饱和情况在解调方案是很难估计和处理的,这是因为每个RF源的电源电压都有一定不确定性。要解决符号精度差的问题,唯一的方法是提高RF功率放大器的精度。

  由于晶体管的特性曲线,A级输出级具有固有的非线性特性,使输出信号正和负幅值不对称。在较低频率下,通过反馈可以解决非线性问题。很快,晶体管放大器就演化为运算放大器,其前向增益可达120dB以上,这样设计师就可以通过采用大量负反馈来改善信号的线性。此反馈与A-B级输出级组合可达到较高线性度。例如美国国家半导体公司的LME49710标称线性度为0.00003%。但是要注意,此线性度规格是对应于频率相对较低的工作条件。所有放大器在频率升高时都会出现增益下降的现象。电流反馈放大器结构在高频下增益损失较小,但在高频下增益仍会有所降低。