基于專(zhuān)用晶體管的非對稱(chēng)Doherty技術(shù)

　　通用對稱(chēng)Doherty放大器現已在蜂窩基站中廣泛使用。

　　飛思卡爾半導體針對2.11GHz~2.17GHz頻段的3G市場(chǎng)推出的方案是，提供包含兩個(gè)專(zhuān)用LDMOS器件的芯片集，用于非對稱(chēng)Doherty拓撲。該放大器的目標是要實(shí)現56dBm的峰值功率，以便在放大器輸出實(shí)現50W~60W的平均功率，并提供適當余量以使用當前的3G信號：峰均功率比(PAR)在6dB~7dB之間的兩個(gè)WCDMA載頻。

　　現有設計要與更高性能的放大器之間實(shí)現平滑過(guò)渡，必須采用下列設計選項：在載頻和峰值器件之間應用1dB非對稱(chēng)電平，優(yōu)化內部匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)允許寬帶放大器設計(是規定帶寬的3倍)。此外，為提高視頻帶寬(VBW)，減少對存儲器的影響，抑制調整和簡(jiǎn)化放大器設計人員的現場(chǎng)工作，專(zhuān)門(mén)設計了特定偏置電路，集成在晶體管中。

　　綜合偏置法

　　AB類(lèi)偏置電路是為了給RF晶體管柵極提供一個(gè)電壓，以固定靜電流(Idq)。為實(shí)現這一目的，必須在帶RF晶體管的相同芯片上集成小型參考晶體管，并在其里面注入靜電流刻度值。該參考的柵壓復制到RF晶體管柵極。在參考和RF晶體管之間插入一個(gè)緩沖器，以視頻頻率提供很低的阻抗，從而抑制任何外部柵極解耦。緩沖器電壓直接從RF晶體管(Vdd)的漏極中獲取。此類(lèi)配置提供理想的、非?？焖俚臒嵫a償，這在外部是不能實(shí)現的。

　　圖1所示為偏置電路的電氣示意圖。

　　圖1 偏置電路電氣示意圖

　　在Doherty中，載流子(主)放大器使用AB類(lèi)偏置，峰值(從)放大器將使用C類(lèi)偏置。設置峰值偏置的常用方法是，評估AB類(lèi)柵壓，然后應用固定的電壓增量來(lái)控制峰值開(kāi)始出現的點(diǎn)。C類(lèi)偏置由原來(lái)的AB類(lèi)偏置電路演變而來(lái)，AB類(lèi)設置通常在內部是固定的，Vdelta 是唯一可外部控制的。在這兩個(gè)偏置電路中，可輕松發(fā)現它們還提供流程補償，在生產(chǎn)中不需要任何調整。

　　載流子和峰化晶體管

　　載流子和峰化晶體管設計用于滿(mǎn)足綜合偏置電路的要求，同時(shí)允許寬頻匹配和高阻抗。圖2所示為一個(gè)載流子晶體管的內部示意圖，其中活動(dòng)芯片包括RF晶體管、偏置電路和輸入預匹配元素。

　　圖2 載流子(主)晶體管示意圖

　　輸入口添加了系列電容器，以便將柵壓與外部控制電壓隔開(kāi)，從而允許使用常規的2引腳封裝。輸出預匹配基于一個(gè)2小區的網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)實(shí)現高阻抗和寬帶功能。

　　峰值晶體管基于相同技術(shù)，只不過(guò)它采用C類(lèi)偏置電路。預匹配單元只需略微修改，就能適應載流子和峰化器件(1dB)之間柵極外設的不同。峰值晶體管內部示意圖如圖3所示。

　　圖3 峰值(從)晶體管示意圖

　　與占用幾乎相同硅面積的載流子芯片相比，峰值芯片由于利用Doherty操作中峰值晶體管功耗更低這一優(yōu)勢，因而密度更緊湊。因此，兩個(gè)晶體管可采用相同的封裝。以這兩款晶體管為基礎設計了單體放大器，并從RF和DC的角度驗證了其性能。功耗為1dB時(shí)，載流子晶體管的功率為160W，而峰值晶體管的功率為200W。兩個(gè)偏置電路的熱補償在A(yíng)B類(lèi)中幾乎都非常理想(峰值晶體管用Vdelta=0V來(lái)測試)。值得注意的是，LDMOS晶體管里門(mén)限電壓的熱系數與電流有關(guān)。AB類(lèi)和C類(lèi)中需要應用不同的系數。

最終采用兩個(gè)晶體管的Doherty放大器使用了Wilkinson輸入分配器，該分配器當然是非對稱(chēng)的，而輸出合成器是一個(gè)使用四分之一波長(cháng)變壓器(非對稱(chēng)電平為1dB)的常規設備。PCB材料是來(lái)自Taconic的RF35，其絕緣厚度是0.51mm(20mils)，足以滿(mǎn)足業(yè)內當前使用的PCB的要求。

　　圖4所示為載頻放大器拓撲圖。

　　圖4 載頻放大器圖

　　此處顯示的簡(jiǎn)單柵極DC偏置網(wǎng)絡(luò )包括一個(gè)1kΩ的串聯(lián)電阻器，因為IC里集成了所有必須的低頻解耦電容器。

　　CW測量結果

　　Doherty放大器測量首先在小信號下的CW中執行，在矢量網(wǎng)絡(luò )分析器(VNA)上提供快速掃頻。

　　圖5所示為寬帶響應曲線(xiàn)，允許對放大器進(jìn)行“全面檢查”。

　　圖5 寬帶S參數

　　該放大器采用AB類(lèi)偏置，在1dB壓縮點(diǎn)時(shí)可提供55dBm(315W)功率，3dB壓縮點(diǎn)時(shí)提供56dBm(400W)功率。Doherty運行的優(yōu)化策略現在變?yōu)檎{整峰值偏置，實(shí)現在55dBm功率時(shí)獲得3dB壓縮點(diǎn)。圖6所示為整個(gè)UMTS頻段的功率掃描結果。

　　圖6 增益和漏極效率，CW功率掃描

　　Doherty的影響可從增益和效率曲線(xiàn)圖上看到。注意，由于測試臺限制，效率不能通過(guò)快速功率掃描測得，而需要通過(guò)純CW信號測得，這正好可以解釋曲線(xiàn)右側末端缺失的原因(消耗的功率太高)?，F在已經(jīng)在各種溫度上進(jìn)行了測量，如圖7所示，熱補償基本上比較理想。

　　圖7 增益和輸出電壓，溫度補償結果

　　這證明集成偏置電路的功能能夠滿(mǎn)足AB類(lèi)和C類(lèi)操作的需求，并且能夠讓熱系數適應這個(gè)偏置水平。

視頻帶寬對3G放大器很重要。為了使自適應預失真系統實(shí)現良好的線(xiàn)性，放大器需要正確放大調制信號，提供比應用的初始信號更寬的頻帶。事實(shí)上，放大器輸入處出現的額外失真有望抵消輸出生成的失真，頻帶超出初始頻帶數倍。設計的目標是支持帶兩個(gè)載頻的WCDMA應用，間隔為5MHz，這意味著(zhù)信號頻率需要為10MHz左右，而VBW的目標是40MHz。如圖8所示，在常規雙音調測試中，共鳴的頻率大約為60MHz。

　　圖8 雙音調測試，視頻帶寬

　　這一限制來(lái)自漏極饋線(xiàn)與晶體管內部電容器的共鳴(Cd以及匹配元素)。輸入產(chǎn)生的影響無(wú)法觀(guān)察。因為集成偏置的緣故(根據模擬所做的估算)，可以假定100MHz以上的頻率產(chǎn)生影響?？傊?，當UMTS波段達到28V時(shí)，CW可實(shí)現下列性能：56dBm峰值功率，8dB時(shí)可從峰值功率中獲得17dB增益，8dB時(shí)可從峰值功率中實(shí)現42%的效率，VBW=60MHz(共鳴)。

　　綜合信號結果

　　評估的第二部分是復雜的信號測量。測試使用的信號是2個(gè)WCDMA載頻，采用5MHz為間隔并進(jìn)行削波，以使PAR=6.5dB。所有測量都是在2.14GHz頻率時(shí)完成的，其中Vdd=28V，測試臺上配置有數字自適應預失真器。該設備專(zhuān)用于提供關(guān)于Doherty線(xiàn)性化和可實(shí)現的最大性能的信息。

　　圖9所示為數字預失真(DPD)之前和之后的鄰信道功率(ACP)和輸出平均功率之比。

　　圖9 調制信號測試，2載頻WCDMA ACP

　　可以看到，在功率高達49.5dBm時(shí)，線(xiàn)性化能夠刪除幾乎所有失真。高于這個(gè)電平就不可能了。49.5dBm(90W)是放大器開(kāi)始對信號進(jìn)行削波的電平，這意味著(zhù)此電平的輸出峰值功率會(huì )上升為56dBm(49.5dBm+6.5dB)。 這與前面的CW測量有密切的關(guān)系。

　　還有一個(gè)非常有意思的現象，即線(xiàn)性化曲線(xiàn)在49.5dBm時(shí)出現明顯的“拐彎”。這意味著(zhù)，在信號飽和并發(fā)生削波之前，放大器不會(huì )生成難以消除的失真或對存儲器造成較大的影響。為了對這些內容進(jìn)行確認，對圖10進(jìn)行觀(guān)察，會(huì )發(fā)現線(xiàn)性化后輸出信號的PAR幾乎是在50dBm時(shí)獲得的，這也確認了放大器的飽和功率電平。