設計兼顧高線(xiàn)性和高效率的RF放大器

　　基站和手機中的RF放大器都需要具有高線(xiàn)性度和高效率。通過(guò)采用一些聰明的技巧，設計師可以兼顧這兩個(gè)互斥的要求。

　　要 點(diǎn)

　　新手機標準要求采用線(xiàn)性RF放大器。

　　提高線(xiàn)性通常會(huì )影響效率。

　　數字預失真是獲得高線(xiàn)性和高效率的一個(gè)方法。

　　Doherty放大器實(shí)現了一種用硬件改善效率的方法。

　　非線(xiàn)性系統建模和仿真比較困難。

　　手機采用了現代調制方案，該方案要求線(xiàn)性放大RF信號。為了達到所需線(xiàn)性度，典型的做法是在輸出端消耗更多的功率。該方法會(huì )降低效率，而對于手機、基站或其他電子系統，效率是最重要的參數之一。

　　在電信領(lǐng)域，手機和基站都很強調對效率的要求。對于手機，效率會(huì )直接影響電池的使用壽命。通過(guò)提高手機效率，還可以延長(cháng)通話(huà)時(shí)間，這對于手機是最基本的功能。而對于基站來(lái)講，效率高會(huì )減少電費，同樣重要的是，還可降低發(fā)熱量。降低發(fā)熱量和功耗會(huì )產(chǎn)生一系列結果，從而降低初始投資、運營(yíng)成本和總體擁有成本。

　　在較早的手機調制設計中，輸出級的線(xiàn)性并不重要，因為解調并不要求信號必須是線(xiàn)性的。GSM（全球移動(dòng)通信系統） 通信技術(shù)中的CW（連續波）、FM（調頻）和GMSK（高斯最小頻移鍵控）都具有恒定的包絡(luò )線(xiàn)，不需要線(xiàn)性放大。而新調制技術(shù)（如EDGE，即增強型數據速率GSM演進(jìn)）則需要采用線(xiàn)性放大器?？赏ㄟ^(guò)欠驅動(dòng)（underdrive）RF放大器，使輸出信號和電源電壓間留有足夠的差值，從而達到線(xiàn)性度要求。但該方法的問(wèn)題在于它會(huì )直接降低放大器的效率。

　　當輸出擺幅達到電源電平時(shí)，單晶體管輸出級效率會(huì )提高。如要提高效率，要選擇合適的電源電壓和負載阻抗，使輸出級擺幅接近電源電平。該方法中輸出晶體管消耗的平均功率較低，因為在輸出信號接近電源電壓時(shí)輸出晶體管承受的電壓始終比較低。

　　然而遺憾的是，將輸出信號驅動(dòng)到接近電源電平時(shí)會(huì )導致放大器的線(xiàn)性變差。任何放大器，只要其電路設計使其輸出擺幅接近電源電平值，線(xiàn)性都會(huì )比較差。放大器線(xiàn)性問(wèn)題最終以放大器削波的形式表現出來(lái)，受電源電壓所限，信號變化無(wú)法正確地表示出被放大的輸入信號（圖1）。

圖1，通過(guò)對比藍色的輸入和黃色的中度削波波形或是紅色的嚴重削波波形，可以清楚地看到削波失真的情況。與圖中類(lèi)似的對稱(chēng)諧波在頻域作為奇次諧波出現。放大器非線(xiàn)性產(chǎn)生調制中失真，該失真與兩個(gè)輸入音無(wú)諧波關(guān)系。

　　對線(xiàn)性的要求

　　盡管不好理解，但在許多RF系統設計中，線(xiàn)性并不是最主要的問(wèn)題。事實(shí)上，設計師常選用C類(lèi)放大器，這充分表明，對于某些類(lèi)型的通信信號，輸入正弦波并不一定是最關(guān)鍵要求。例如，調頻電臺的RF信號就是如此。在發(fā)送調頻信號時(shí)，波形過(guò)零點(diǎn)就可以包括信號的所有信息。即使波峰失真，解調信號保真度也不會(huì )受到影響。過(guò)激勵的FM電臺信號會(huì )產(chǎn)生載波頻率的諧波，從干擾角度來(lái)看，這些諧波可能是有害的，但調諧到過(guò)激勵FM電臺信號的收音機仍可正常工作（圖2）。

圖2，調頻信號y（t）不受放大器非線(xiàn)性影響。 信息包含在過(guò)零點(diǎn)中，而非幅值中，因此放大器幅值失真不會(huì )引起問(wèn)題。

　　過(guò)去10年以來(lái)，獲取手機射頻頻帶的高成本和對收益的追求，促使人們設計出可在較窄頻帶中傳輸更多信息的先進(jìn)的調制方案。這些方案的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們具有較高的帶寬效率。帶寬效率以每兆赫多少兆位數據或是每秒每赫茲多少數據位來(lái)表示。新近提議的手機標準（如EDGE）中包括的信息遠不止是信號過(guò)零點(diǎn)信息。新的手機調制方案（如QAM，即正交幅度調制）在RF載波頻率包絡(luò )信號的相位和幅值上都承載有信息。請看一下經(jīng)典的64-QAM（64狀態(tài)QAM）向量星座圖（圖3），信號相位和幅值都采用一系列符號向量來(lái)生成RF信號的包絡(luò )。由于有64個(gè)向量，任一向量承載的信息可以表示6位的數字信息，從而使64-QAM方案具有了較高的帶寬效率，達到了6 Mbps/MHz。

圖3，64-QAM星座圖每個(gè)符號向量可編碼6位數據。有些向量容易出現相位誤差，有些向量容易出現幅值誤差。在這兩種情況下，波形包絡(luò )的精度都很重要，這就使放大器線(xiàn)性問(wèn)題變得非常重要。

　　在這樣的高級調制方案中，線(xiàn)性差會(huì )帶來(lái)一些問(wèn)題。由于解調器需要的信號的幅值和相位都要準確，所以信號的即時(shí)精度非常重要；而在FM傳輸中則只有過(guò)零點(diǎn)才有意義。如果工作信號將RF功率放大器激勵到接近輸出電平，晶體管會(huì )達到飽和，在信號中加入其固有對數非線(xiàn)性成分。結果導致放大器編碼的符號向量丟掉正確的幅值和相位。非線(xiàn)性問(wèn)題嚴重到一定程度，符號會(huì )重疊并導致信息丟失。

　　有些方案可以解決晶體管固有的非線(xiàn)性問(wèn)題，但在晶體管對數傳遞函數工作點(diǎn)處晶體管會(huì )出現偏差。因此，實(shí)現這樣的解調方案會(huì )比較困難。另外，在晶體管輸出接近電源電平時(shí)，晶體管的飽和情況在解調方案是很難估計和處理的，這是因為每個(gè)RF源的電源電壓都有一定不確定性。要解決符號精度差的問(wèn)題，唯一的方法是提高RF功率放大器的精度。

　　由于晶體管的特性曲線(xiàn)，A級輸出級具有固有的非線(xiàn)性特性，使輸出信號正和負幅值不對稱(chēng)。在較低頻率下，通過(guò)反饋可以解決非線(xiàn)性問(wèn)題。很快，晶體管放大器就演化為運算放大器，其前向增益可達120dB以上，這樣設計師就可以通過(guò)采用大量負反饋來(lái)改善信號的線(xiàn)性。此反饋與A-B級輸出級組合可達到較高線(xiàn)性度。例如美國國家半導體公司的LME49710標稱(chēng)線(xiàn)性度為0.00003%。但是要注意，此線(xiàn)性度規格是對應于頻率相對較低的工作條件。所有放大器在頻率升高時(shí)都會(huì )出現增益下降的現象。電流反饋放大器結構在高頻下增益損失較小，但在高頻下增益仍會(huì )有所降低。