使用模擬預失真進(jìn)行射頻功率放大器線(xiàn)性化

我們探討了用于線(xiàn)性化射頻放大器的模擬預失真的基本概念，并回顧了一些常見(jiàn)的實(shí)現方式?，F代通信系統使用具有時(shí)變包絡(luò )和相位角的信號。為了處理這些信號，發(fā)射機需要線(xiàn)性功率放大器（PA）。然而，它們也需要高效率的功率放大器。正如我們所知，這樣的放大器不可避免地是非線(xiàn)性的。幸運的是，有許多方法可以線(xiàn)性化功率放大器的響應。我們在上一篇文章中了解到的一種方法是找到失真并將其從功率放大器的輸出信號中減去。這被稱(chēng)為前饋線(xiàn)性化。預失真是另一種常用的線(xiàn)性化技術(shù)。它不是在輸出端校正信號，而是在功率放大器之前放置一個(gè)非線(xiàn)性電路，使組合響應變得線(xiàn)性。這個(gè)電路被稱(chēng)為預失真器或預失真線(xiàn)性化器。預失真可以使用模擬或數字技術(shù)實(shí)現。在本文中，我們將專(zhuān)注于模擬預失真。正如我們將看到的，使用簡(jiǎn)單的二極管電路可以有效地實(shí)現幅度和相位線(xiàn)性化。然而，首先，讓我們更普遍地檢查預失真的基本原理。

預失真的基本原理

為了使預失真起作用，事先了解功率放大器的非線(xiàn)性至關(guān)重要。然后，我們相應地調整輸入信號。預失真器和功率放大器的特性是關(guān)于期望的線(xiàn)性響應的鏡像。這種關(guān)系在圖1中進(jìn)行了說(shuō)明。預失真器的響應是功率放大器非線(xiàn)性特性的逆。

圖1. 預失真器的響應是功率放大器非線(xiàn)性特性的逆。圖片由Steve Arar提供

例如，考慮一個(gè)預期增益為1的功率放大器。然而，由于非線(xiàn)性，其靜態(tài)特性根據函數y=g(x)變化。在這種情況下，預失真電路應表現出逆傳遞特性（y=g?1(x)）。

補償壓縮特性

圖1展示了一個(gè)常見(jiàn)的場(chǎng)景，其中功率放大器（PA）表現出壓縮特性。為了補償這種特性，預失真電路必須擴展信號幅度。這確保了預失真器/PA組合能夠產(chǎn)生原始輸入的放大副本（見(jiàn)圖2）。擴展信號幅度可以抵消功率放大器的壓縮特性。

圖2. 擴展信號幅度可以抵消功率放大器的壓縮特性。圖片由Steve Arar提供。

請注意，預失真器需要適當地修改輸入信號的幅度和相位。在較高的驅動(dòng)電平下，預失真器通常被設計為提供正的幅度偏差和負的相位偏差，類(lèi)似于上圖中所示的預失真響應。

預失真的功率和頻率考慮

圖1中功率放大器特性的斜率在飽和區域是平坦的，這需要一個(gè)具有垂直特性的預失真曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行補償。因此，使用預失真器補償功率放大器的飽和區域可能是一個(gè)挑戰。預失真技術(shù)僅在不會(huì )導致功率放大器飽和的功率電平上有效。這也意味著(zhù)，功率放大器的飽和決定了組合預失真器/PA系統的上限功率。峰值功率可能會(huì )進(jìn)一步受到預失真器最大擴展能力的限制。預失真可以在射頻（RF）、中頻（IF）或基帶頻率上實(shí)現。在所有情況下，難點(diǎn)在于確定和生成適當的預失真傳遞函數。無(wú)論在何處執行預失真，基本原理都是相同的。例如，如果功率放大器具有壓縮特性，我們就在輸入信號上應用一個(gè)擴展特性。這樣，經(jīng)過(guò)發(fā)射機鏈的非線(xiàn)性后，波形將恢復到其期望的形態(tài)。

模擬預失真

當對線(xiàn)性度的要求適中時(shí)，可以使用模擬預失真電路來(lái)線(xiàn)性化功率放大器。這些預失真器可以設計成補償幅度和相位的非線(xiàn)性。通常，模擬預失真電路是具有擴展插入損耗特性的衰減器。一種實(shí)現方法是使用兩條并行信號路徑：一條具有線(xiàn)性增益，另一條具有非線(xiàn)性壓縮增益。這一概念在圖3中進(jìn)行了說(shuō)明。左側：模擬預失真的概念示意圖。右側：放大器和預失真的增益。

圖3. 左側：模擬預失真的框圖。右側：放大器和預失真的增益。圖片由Steve Arar提供

通過(guò)從線(xiàn)性路徑的輸出中減去非線(xiàn)性路徑的輸出來(lái)獲得輸出。由于其具有壓縮性非線(xiàn)性特性，非線(xiàn)性放大器的增益在大信號電平下會(huì )降低。正如我們在圖3的增益圖中看到的那樣，這導致了預失真器整體增益的增加。增益的增加補償了后續功率放大器的增益衰減。

使用二極管電路的模擬預失真

圖4展示了如何使用二極管限幅器來(lái)實(shí)現上述框圖中的非線(xiàn)性路徑。使用二極管限幅器實(shí)現模擬預失真的非線(xiàn)性路徑。

圖4. 使用二極管限幅器實(shí)現模擬預失真的非線(xiàn)性路徑。圖片由Steve Arar提供

在低信號電平下，二極管不導通，上路徑的衰減由衰減器決定。在高驅動(dòng)電平下，二極管開(kāi)始導通，增加了該路徑的衰減。相移和衰減器模塊可以用來(lái)調整預失真的響應。

帶串聯(lián)二極管和并聯(lián)電容的線(xiàn)性化器

基于二極管的方法為我們提供了一種實(shí)現模擬預失真的系統化方法。文獻中介紹了各種創(chuàng )新電路，這些電路利用二極管和晶體管的非線(xiàn)性行為來(lái)為信號路徑增加增益擴展。圖5展示了一個(gè)著(zhù)名的例子。一個(gè)基于二極管的預失真電路。

圖5. 一個(gè)基于二極管的預失真電路。圖片由K. Yamauchi提供

這個(gè)線(xiàn)性化器由一個(gè)與電容并聯(lián)的二極管組成。這個(gè)二極管-電容電路與信號路徑串聯(lián)。預失真器還使用了兩個(gè)射頻扼流圈用于直流饋電和兩個(gè)直流阻斷電容。在較高的驅動(dòng)電平下，通過(guò)二極管的平均電流增加，降低了二極管的動(dòng)態(tài)電阻。由于二極管與信號路徑串聯(lián)，在較高的輸入信號電平下，其電阻的減小會(huì )導致預失真器的插入損耗減小。插入損耗的減小也可以被視為增益擴展。并聯(lián)電容Cp使我們能夠調整預失真器的相位偏移。圖6展示了預失真器在1.9 GHz時(shí)對于不同正向二極管電流值的響應。圖5中基于二極管的預失真器的測量響應。

圖6. 圖5中基于二極管的預失真器的測量響應。圖片由K. Yamauchi提供

根據圖6中的測量結果，該電路在0.1 mA到1 mA的正向電流下產(chǎn)生正的幅度偏差和負的相位偏差。因此，該電路可以用作功率放大器線(xiàn)性化的預失真器。

帶并聯(lián)二極管和偏置饋電阻的線(xiàn)性化器

提出上述電路的研究團隊還開(kāi)發(fā)了圖7中的預失真器。一個(gè)位于功率放大器上游的簡(jiǎn)單預失真電路。

圖7. 一個(gè)位于功率放大器上游的簡(jiǎn)單預失真電路。圖片由K. Yamauchi提供

在這種情況下，使用了一個(gè)與偏置饋電阻（Rb）并聯(lián)連接的二極管來(lái)補償非線(xiàn)性功率放大器的失真。線(xiàn)性化器在其輸入和輸出處各包含兩個(gè)直流阻斷電容。在小信號工作時(shí)，二極管正向偏置。然而，對于大信號輸入，流經(jīng)二極管的電流在電流波形的低谷處被裁剪。這種整流作用增加了通過(guò)二極管的直流電流。由于直流電流通過(guò)偏置電阻Rb，隨著(zhù)驅動(dòng)電平的增加，Rb上的電壓降增大。這反過(guò)來(lái)又降低了二極管上的直流電壓。因此，二極管的等效電阻隨信號電平增加，導致幅度響應擴展。圖8展示了這個(gè)預失真器對于三個(gè)不同電源電壓值的響應。圖7中預失真器對于三個(gè)不同Vcc值的計算響應。

圖8. 圖7中預失真器對于三個(gè)不同Vcc值的計算響應。圖片由K. Yamauchi提供

該圖顯示了擴展響應。因此，該電路至少在有限的動(dòng)態(tài)范圍內可以用作預失真器。

應用

盡管文獻中介紹了各種模擬預失真電路，但它們通常只能略微提高線(xiàn)性度。此外，它們通常僅在功率范圍或帶寬的某個(gè)特定最佳點(diǎn)提供這種改進(jìn)。然而，這些電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 成本低。

• 功耗低。

• 實(shí)現簡(jiǎn)單。

它們提供的適度線(xiàn)性度提升對移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電是有益的。此外，它們有時(shí)可以與更復雜的系統級線(xiàn)性化技術(shù)（如前饋）集成，以增強誤差放大器的線(xiàn)性度。由于基于二極管的線(xiàn)性化技術(shù)僅在有限的功率范圍內提供所需的響應，因此為給定放大器選擇合適的線(xiàn)性化電路取決于其功率電平。