設計兼顧高線(xiàn)性和高效率的RF放大器

　　同樣困難的是，多數RF放大器都是開(kāi)路的，這就意味著(zhù)它們很容易出現電源抑制和輸出飽和問(wèn)題。由于RF放大器在接近晶體管高限的頻率下工作，實(shí)際操作中無(wú)法使其成為高增益運算放大器。在這點(diǎn)上，RF放大器設計師仍需要面對幾十年前電子管設備設計師所遇到的所有困難。

　　放大器設計師除了要面對線(xiàn)性問(wèn)題外，還需要面對其他會(huì )影響線(xiàn)性的因素，這使RF放大器設計變得更為困難。例如，放大器在加電和發(fā)熱工作狀況下會(huì )產(chǎn)生記憶效應，從而引入隨時(shí)間或數據而變的非線(xiàn)性。電子記憶效應類(lèi)似于老式吉他電子管放大器中的記憶效應。這類(lèi)老式放大器配有廉價(jià)的電源系統，通常為開(kāi)路線(xiàn)性電源，在電子管整流線(xiàn)路上裝一個(gè)電容。高音量的重力和弦會(huì )強烈激勵輸出級，并在電容放電后將電源電壓拉下來(lái)。大負載過(guò)去后，線(xiàn)路會(huì )給電容充電使其電壓恢復，但該過(guò)程要耗費幾十毫秒的時(shí)間。電源電壓的下降會(huì )改變吉他放大器輸出晶體管的偏置，引起不同的“數據相關(guān)”非線(xiàn)性。非線(xiàn)性程度取決于先前信號的情況。RF功率放大器也容易發(fā)生類(lèi)似現象。有些數據序列中可能需要采用可以很強地激勵放大器的符號。這種情況會(huì )影響到電源和放大器偏置，并產(chǎn)生時(shí)間相關(guān)的非線(xiàn)性。此非線(xiàn)性隨RF載波調制情況而變。

　　除了這樣的電子記憶效應外，放大器設計師還必須處理熱記憶效應。熱晶體管和冷晶體管的傳遞函數是不同的，這就會(huì )給系統引入時(shí)間相關(guān)的非線(xiàn)性。如果環(huán)境溫度較高或是數據流使輸出級溫度升高，晶體管表現出的非線(xiàn)性特性將與低溫時(shí)的有所不同。隨著(zhù)RF功率放大器中集成了更多的CMOS芯片，發(fā)熱引起的問(wèn)題變得更為嚴重。

圖4，晶體管放大器固有非線(xiàn)性（a），削波失真（b）和電子記憶效應（c）及熱記憶效應（d）所導致的RF功率放大器非線(xiàn)性。

　　圖4 顯示了RF功率級的非線(xiàn)性情況。晶體管非線(xiàn)性問(wèn)題的核心在于晶體管電流-電壓傳遞函數為一對數曲線(xiàn)，而不是直線(xiàn)。下一個(gè)問(wèn)題是如何解決晶體管輸出電壓接近電源電平時(shí)的飽和問(wèn)題。

　　提高線(xiàn)性的方法

　　RF設計師不能僅僅將放大器輸出擺幅限制在較小范圍內，而犧牲效率性能。他們可以采用反饋、前饋和預失真手段來(lái)保持效率，以延長(cháng)電池壽命和節省功耗。反饋措施適用于要求高線(xiàn)性、窄帶寬和中等效率的設計。前饋操作可用于要求高線(xiàn)性、但帶寬比較寬且對效率要求不高的設計。預失真可用于中等線(xiàn)性和帶寬要求的設計，但可以實(shí)現高效率。由于RF功率放大器工作頻率是如此之高，采用常規的反饋措施并不實(shí)用。在此情況下，“反饋”一詞通常指笛卡兒（Cartesian）反饋。在該種反饋中，電路將RF輸出重新變換回基帶，得到I（相位）和Q（幅值）信號，并將這些信號送回到輸入級。這個(gè)系統可以達到高線(xiàn)性，但前提是不會(huì )過(guò)度激勵輸出級。它的效率會(huì )比所預想的要低。由于反饋放大器容易振蕩，所以該方法不能用于寬帶放大器。

　　為了使線(xiàn)性和帶寬都達到可接受的水平，RF設計師采取了預失真方法：進(jìn)行調制的I和Q信號可以補償確定性的系統非線(xiàn)性因素的影響。由于數字系統還可以采用復雜的算法預測熱記憶效應和電子記憶效應，這樣的結構還可在出現此類(lèi)問(wèn)題時(shí)保持線(xiàn)性。注意這里仍然涉及到RF信號路徑上各元件的固有線(xiàn)性問(wèn)題。在數字域的校正是有一定限度的。信號路徑越接近理想情況，數字系統設計師就越容易提供準確的預失真信號。

　　Linear Technology公司高頻產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理James Wong認為，對于系統元件的固有線(xiàn)性，設計師始終是很清楚的。“與被動(dòng)上變頻器后接一個(gè)放大器的方案相比，主動(dòng)上變頻器具有內建放大功能，較低的噪聲、較好的線(xiàn)性和優(yōu)越的隔離性能，這使它的動(dòng)態(tài)范圍非常出色。”他說(shuō)，“這種方案大大降低了數字設計師……提供信號預失真的難度。”他指出，現代基站也使用笛卡兒反饋。電路將信號下變頻并獲得輸出信號I和Q分量，然后將其送回給DSP核心。這一方法使系統可以采取有實(shí)時(shí)笛卡兒反饋的復雜算法，并可根據信號鏈使用的元件采取預失真措施（圖5）。

圖5，根據基站所用部件情況采取數字預失真措施的手機基站。通過(guò)笛卡兒反饋，還可以采用動(dòng)態(tài)算法，該算法有助于補償記憶效應和其他非線(xiàn)性因素的影響。

圖6，Doherty RF放大器采用了一個(gè)輔助放大器來(lái)改變主放大器的負載阻抗，可達到更高的效率。此方法使主放大器能連續地輸出大擺幅信號，使放大器功耗降低。如果輔助放大器降低主放大器負載阻抗，則主放大器輸出較高功率。

圖7，在此電路中，相同的信號通過(guò)電阻兩端，上放大器表觀(guān)負載為無(wú)限大。兩個(gè)放大器以相同幅值驅動(dòng)電阻兩端，因此兩個(gè)放大器都不會(huì )給電阻輸出電流或功率。如果各放大器信號相位差180°，則各放大器的特性電阻值為電阻阻值的兩倍大小。Doherty放大器利用此原理來(lái)改變輸出并維持高效率。

　　但是，硬件設計師不是必須得采用數字預失真措施才能提高線(xiàn)性。硬件也可以起到改善線(xiàn)性和效率的作用；元件固有線(xiàn)性越好，數字系統的校正量就越小。設計師可能會(huì )考慮采用Doherty放大器。該放大器是貝爾實(shí)驗室William H Doherty于1936年發(fā)明的（圖6和參考文獻1）。該種放大器有兩個(gè)RF路徑。RF信號不是僅僅在低功率級和高功率級之間來(lái)回傳送。RF放大器中輸出電壓擺幅應接近電源電平。Doherty放大器用輔助放大器來(lái)改變主放大器的特性輸出阻抗。如果輔助放大器在傳輸線(xiàn)的另一端產(chǎn)生相同的信號，則向傳輸線(xiàn)輸出信號的放大器的輸出阻抗會(huì )變?yōu)闊o(wú)窮大（圖7）。由于傳輸線(xiàn)兩端為等電勢，所以沒(méi)有電流流過(guò)，通過(guò)線(xiàn)路的功率為零。如果不激勵輔助放大器，則主放大器表觀(guān)輸出阻抗為傳輸線(xiàn)路的特征阻抗。根據此原理，更進(jìn)一步說(shuō)，如果激勵輔助放大器使其相位與主放大器相位差180°，則會(huì )差分驅動(dòng)傳輸線(xiàn)右側，主放大器的特性阻抗為傳輸線(xiàn)阻抗的一半，使傳輸的功率增大。主放大器輸出總是接近輸出電平。如果設計師希望發(fā)送功率低一些，則輔助放大器可以增加主放大器的特性輸出阻抗，使放大器在接近輸出電平的電壓擺幅下輸出較小的電流，從而輸出較低的功率。