現(xiàn)代RF放大器既需要線性也需要高效率。線性要求是源于現(xiàn)代調(diào)制方法的使用,如QAM(正交幅度調(diào)制)和OFDM(正交頻分多址調(diào)制,參考文獻(xiàn)1)。這些放大器還需要效率,以降低功耗和減少散熱。開(kāi)發(fā)人員通常將現(xiàn)代RF放大器組件裝在天線桿內(nèi)。這些“桿頂”放大器的設(shè)計(jì)中,外殼可以不含風(fēng)扇且直接暴露在日光下。在功耗上每節(jié)省1W,就意味著少了1W的散熱器散熱需求。另外,對(duì)放大器過(guò)驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致失真,產(chǎn)生諧波尖刺,使解調(diào)無(wú)法進(jìn)行。這些尖刺會(huì)落入鄰近的頻段,也許是手機(jī)公司并不擁有的頻段。FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì))對(duì)這種ACLR(鄰道泄漏比)有嚴(yán)格的限制。
所以,你有兩個(gè)理由去實(shí)現(xiàn)良好的線性度:這樣才能精確地調(diào)制信號(hào),這樣你的信號(hào)才不會(huì)干擾鄰近的信號(hào)。同樣重要的是,你能在輸出級(jí)獲得最佳的功率效率。問(wèn)題是,線性與效率是互斥的。
在頻域和時(shí)域中都可以查看RF放大器的失真。在時(shí)域中,能夠形象地看到一個(gè)通過(guò)RF放大器的切角或平頂正弦波,如同驅(qū)動(dòng)過(guò)度而靠近電壓軌的音頻信號(hào)一樣(圖1)。在頻域中,放大器失真表現(xiàn)為包含諧波的“邊緣”,它進(jìn)入了鄰近頻段范圍內(nèi)(圖2)。對(duì)于任何放大器,希望的功率越高,則得到的失真就越嚴(yán)重。在RF頻率下,不僅有幅度失真,還有相位失真,以及由于熱瞬變和電記憶效應(yīng)所帶來(lái)的失真(圖3)。相位失真出現(xiàn)于快速轉(zhuǎn)換速率區(qū)中,RF輸出滯后于輸入信號(hào)的情況,如當(dāng)載波信號(hào)進(jìn)入大地時(shí),或當(dāng)一個(gè)調(diào)制包絡(luò)必須立即變到一個(gè)不同電平時(shí)。
為了在一個(gè)確定帶寬內(nèi)裝入更多信息,現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)依賴于準(zhǔn)確接收的RF信號(hào)包絡(luò)。有了準(zhǔn)確的電壓與相位,就可以解碼出代表某個(gè)數(shù)字碼的點(diǎn)的星座。這個(gè)碼產(chǎn)生出一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流,然后進(jìn)一步解碼成一個(gè)基帶語(yǔ)音或數(shù)據(jù)信號(hào)。
較老的調(diào)制方法對(duì)放大器的線性比較不敏感。AM(調(diào)幅)收音機(jī)與模擬電視廣播都使用AM方式,它依賴的是RF信號(hào)的峰值。任何失真對(duì)所有峰值都有相同影響,而對(duì)所有接收信號(hào)的質(zhì)量影響不大。FM(調(diào)頻)收音機(jī)與模擬電視的音頻信號(hào)采用的是FM方式,它取決于波形的零交越。因此任何幅度非線性都沒(méi)有影響。相位失真對(duì)零交越有影響,但它們是均勻的效果,不會(huì)影響FM調(diào)制。
提高RF放大器線性有多種技術(shù)。首先,可以采用更好的晶體管。于是,制造商會(huì)在RF晶體管生產(chǎn)中采用GaAs(砷化鎵)和其它III-V族半導(dǎo)體工藝,即至少一個(gè)III族元素和至少一個(gè)V族元素組成的化學(xué)化合物。另外,還可以嘗試用SiGe(硅鍺)晶體管,也許再加上CMOS工藝(參考文獻(xiàn)2)。雖然SiGe比GaAs慢,噪聲也大,但通常也夠用了,尤其是在低于3 GHz的頻率下。工程師面臨著在RF放大器中采用CMOS的壓力,因?yàn)樗某杀镜?,但CMOS的工作電壓低,因此難以在功率放大器中實(shí)現(xiàn)。CMOS還有高的噪聲系數(shù),降低方法是增加晶體管結(jié)構(gòu)的尺寸,但這種辦法也增加了雜散電容,降低了產(chǎn)品的工作頻率。RFMD和其它公司提供藍(lán)寶石上做的CMOS,所有晶體管下面都有一個(gè)介電隔離層(參考文獻(xiàn)3)。這種方法有成本優(yōu)勢(shì),減少了雜散電容。
受市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)是,工程師們可以用CMOS制造用于Wi-Fi熱點(diǎn)應(yīng)用的小功率RF放大器。手機(jī)需要更特殊的工藝,如SOI(絕緣硅),GaAs將在近期手機(jī)基站上占支配地位。
一旦你的功率放大器有了線性良好的晶體管技術(shù),接下來(lái)要關(guān)注放大器的架構(gòu)。你可以從一種間斷驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)(如Class C型)轉(zhuǎn)換到一種更連續(xù)的類型,如Class AB型。Class C的效率高,因?yàn)樗靡恢痪w管驅(qū)動(dòng)一個(gè)儲(chǔ)能電路,產(chǎn)生出供發(fā)射的RF正弦波。但遺憾的是,Class C放大器不適應(yīng)現(xiàn)代的線性需求,尤其是基站。獲得良好線性的一種方式是減少對(duì)放大器的驅(qū)動(dòng),這樣晶體管就不會(huì)接近飽和,輸出電壓擺幅就完全處于電源軌的范圍內(nèi)。不幸的是,這種方案的效率最差。
為解決這個(gè)問(wèn)題,可以嘗試采用一種Doherty放大器,它是一種復(fù)合型設(shè)備,使用了一個(gè)主通道和一個(gè)輔助RF通道,可以在信號(hào)強(qiáng)度低時(shí)節(jié)省功耗,而當(dāng)需要較高功率時(shí),仍能適應(yīng)較大的信號(hào)擺幅(圖4)。Doherty放大器架構(gòu)運(yùn)行很好,但它增加了理想的簡(jiǎn)單放大器級(jí)的器件數(shù)和復(fù)雜性。
如果為了獲得效率而要將RF放大器置于飽和狀態(tài),則可以嘗試用正反饋技術(shù)使之線性化。十多年來(lái),RF設(shè)計(jì)者已成功地將這些技術(shù)用于手機(jī)基站?,F(xiàn)在的問(wèn)題是,用于4G(第四代)LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))的新調(diào)制方法有更高的要求。為了獲得更高的帶寬效率(以每赫茲比特度量),即便對(duì)最好的放大器,這些新的調(diào)制方法也提出了困難的線性要求。
這種狀況促使工程師們采用預(yù)失真(predistortion)技術(shù)對(duì)RF功率放大器做線性化(參考文獻(xiàn)4)。由于這類技術(shù)要對(duì)天線饋送的輸出做采樣,并送回輸入端,它看起來(lái)類似于所有模擬工程師都熟知的反饋技術(shù)。但是,預(yù)失真并不會(huì)給 一個(gè)誤差放大器提供反饋信號(hào),因?yàn)镽F信號(hào)速度太快,無(wú)法將一個(gè)真正的載波頻率信號(hào)回送給誤差放大器。預(yù)失真采用的是一些算法,它們可精確預(yù)測(cè)放大器各種工作條件下的效應(yīng),從而調(diào)節(jié)輸入信號(hào),使之通過(guò)RF功放時(shí)有更好的線性。
可以設(shè)想一下算法的基礎(chǔ)功能。對(duì)一個(gè)擺幅大到接近電源軌的正弦載波,所有RF放大器都會(huì)將其抹平。因此,預(yù)失真算法會(huì)使這些較大幅度的正弦波有更尖銳的波峰。這樣,就可以從放大器獲得一個(gè)較純凈的正弦波。在時(shí)域中很容易看到這種情況。而在頻域中,可以將預(yù)失真想象成增加某種相位角的諧波成分,它抑制掉非線性RF功放所產(chǎn)生的尖刺。當(dāng)為一個(gè)預(yù)失真電路通電時(shí),就可以看到鄰道尖刺的幅度大大減小。
通過(guò)一個(gè)類似想法的實(shí)驗(yàn),也可以看到預(yù)失真算法如何補(bǔ)償一個(gè)放大器的相位誤差。由于相位誤差是可預(yù)測(cè)和可重復(fù)的,算法就可以修改輸入波形的時(shí)序,以去除任何放大器的滯后。在時(shí)域中,可以想象成算法在快速轉(zhuǎn)換速率期間超前于信號(hào),使得放大器最終輸出一個(gè)干凈的正弦波。在頻域中,鄰道尖刺也達(dá)到了可以接受的水平。
現(xiàn)在的預(yù)失真算法已足夠完備,甚至可以消除熱效應(yīng)帶來(lái)的失真。高低溫對(duì)功率晶體管造成的失真是不同的??梢蚤_(kāi)發(fā)出一種算法,預(yù)測(cè)輸出晶體管的功耗。從這個(gè)預(yù)測(cè)中,可以推斷出晶體管的溫度,然后對(duì)輸入作適當(dāng)調(diào)節(jié),從而使輸出保持為線性。這個(gè)算法必須考慮到所用散熱器以及周圍環(huán)境的熱時(shí)間常數(shù)。
數(shù)字預(yù)失真還是模擬預(yù)失真?
過(guò)去幾年來(lái),手機(jī)基站制造商已接受了用數(shù)字預(yù)失真做放大器線性化的方法(圖5與參考文獻(xiàn)5)。此時(shí),要用一個(gè)單向耦合器對(duì)RF輸出做采樣??梢杂靡粋€(gè)混頻器,將千兆赫水平的信號(hào)下變頻到一個(gè)較低頻率。然后就可以用一個(gè)快速ADC對(duì)波形采樣。這些采樣被送至一片運(yùn)行預(yù)失真算法的FPGA,用于修正輸入波形,還給出一個(gè)數(shù)字的數(shù)據(jù)流。然后,F(xiàn)PGA輸出RF基帶信號(hào)或I(索引)和Q(正交)信號(hào),再上變頻至手機(jī)所在頻段的RF載波效率。
建立這一系統(tǒng)的方法有多種(參考文獻(xiàn)6)。通過(guò)采用獨(dú)立的ADC和下變頻芯片,可以針對(duì)需求優(yōu)化自己的系統(tǒng),并使用可以從很多供應(yīng)商獲得的標(biāo)準(zhǔn)化部件。例如,Hittite、Analog Devices、德州儀器公司、凌力爾特公司以及Intersil公司(參考文獻(xiàn)7)都制造可用于分立數(shù)字預(yù)失真電路的硅芯片。
很多工程師都熟悉Altera公司的FPGA在數(shù)字領(lǐng)域的使用。該公司的MegaCore IP(智能產(chǎn)權(quán))可完成預(yù)失真的數(shù)字部分運(yùn)算(參考文獻(xiàn)8)。Analog Devices公司與Altera公司合作,提供一種混合信號(hào)的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)板,而德州儀器公司提供GC5325這類發(fā)射處理器器件,以降低信號(hào)波峰系數(shù),以及抵消功放的失真(圖6)。Xilinx公司為自己的Virtex-4和Virtex-5 FPGA提供一個(gè)數(shù)字預(yù)失真的參考設(shè)計(jì)。由于手機(jī)基站承載了較多的RF通道,空間就成為了一個(gè)問(wèn)題。凌力爾特公司等的解決方法是將整個(gè)數(shù)字預(yù)失真電路集成為L(zhǎng)TM9003微模塊(圖7)。
盡管手機(jī)基站制造商接受數(shù)字系統(tǒng),但供應(yīng)商們?cè)诓蓸訑?shù)據(jù)系統(tǒng)中做的主要是模擬電路,這帶來(lái)了成本、功耗和空間不利因素。替代方法是用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)RF放大器的線性。例如,新興公司Scintera Networks將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了5W區(qū)間的小功率RF系統(tǒng),還有UHF(超高頻)電視發(fā)射站的信號(hào)路徑(圖8)。這種方法會(huì)采樣驅(qū)動(dòng)級(jí)的RF信號(hào),使RF信號(hào)保持在模擬域中,但通過(guò)采用一種波形的Volterra Series擴(kuò)展,對(duì)其作因數(shù)修正。Volterra Series是一種非線性性能的模型,類似于Taylor Series,不過(guò)Volterra Series可以表達(dá)記憶效應(yīng)。Scintera公司的方案會(huì)對(duì)RF輸出作采樣和數(shù)字化,采樣結(jié)果被送入該公司芯片中的數(shù)字電路。該設(shè)計(jì)用數(shù)字段計(jì)算出RF信號(hào)鏈的模擬因數(shù),然后用另一個(gè)單向耦合器,將經(jīng)Volterra因數(shù)修正的RF信號(hào)混合回到RF路徑中。系統(tǒng)只需要在芯片中處理足夠的RF,就能校正放大器的失真。大多數(shù)RF功率都在主RF路徑內(nèi),而繞過(guò)了IC。Scintera公司將RF保持在模擬域,提供了一個(gè)功耗遠(yuǎn)低于數(shù)字預(yù)失真方式的系統(tǒng)(圖9)。
要注意,數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試都不是簡(jiǎn)單的任務(wù)。你需要完備的RF設(shè)計(jì)工具,如AWR公司的Microwave Office以及Agilent公司的ADS(參考文獻(xiàn)9)。除了用先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備確定RF路徑的特性以外,可能還需要購(gòu)買和學(xué)習(xí)專用的測(cè)試設(shè)備,如一臺(tái)實(shí)時(shí)頻譜分析儀(參考文獻(xiàn)10)。
無(wú)論是采用模擬預(yù)失真還是數(shù)字預(yù)失真,都可以減少RF設(shè)計(jì)中的干擾,并使用先進(jìn)的調(diào)制方法。最重要的是,預(yù)失真可以將RF放大器驅(qū)動(dòng)至接近飽和狀態(tài),從而提高了功率效率。你可以用分立芯片自己搭建系統(tǒng), 也可以使用封裝內(nèi)已集成所有功率的微模塊。在ADC以及下變頻IC中實(shí)現(xiàn)所需線性是半導(dǎo)體公司的一項(xiàng)成就。這些公司都有自己的應(yīng)用專家,可以幫助你設(shè)計(jì)出RF信號(hào)路徑,滿足所有的規(guī)范要求、減少功耗,并提供每兆赫茲最大位數(shù)。
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