設(shè)計(jì)兼顧高線性和高效率的RF放大器

　　基站和手機(jī)中的RF放大器都需要具有高線性度和高效率。通過采用一些聰明的技巧，設(shè)計(jì)師可以兼顧這兩個(gè)互斥的要求。

　　要 點(diǎn)

　　新手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求采用線性RF放大器。

　　提高線性通常會影響效率。

　　數(shù)字預(yù)失真是獲得高線性和高效率的一個(gè)方法。

　　Doherty放大器實(shí)現(xiàn)了一種用硬件改善效率的方法。

　　非線性系統(tǒng)建模和仿真比較困難。

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

　　在電信領(lǐng)域，手機(jī)和基站都很強(qiáng)調(diào)對效率的要求。對于手機(jī)，效率會直接影響電池的使用壽命。通過提高手機(jī)效率，還可以延長通話時(shí)間，這對于手機(jī)是最基本的功能。而對于基站來講，效率高會減少電費(fèi)，同樣重要的是，還可降低發(fā)熱量。降低發(fā)熱量和功耗會產(chǎn)生一系列結(jié)果，從而降低初始投資、運(yùn)營成本和總體擁有成本。

　　在較早的手機(jī)調(diào)制設(shè)計(jì)中，輸出級的線性并不重要，因?yàn)榻庹{(diào)并不要求信號必須是線性的。GSM（全球移動通信系統(tǒng)） 通信技術(shù)中的CW（連續(xù)波）、FM（調(diào)頻）和GMSK（高斯最小頻移鍵控）都具有恒定的包絡(luò)線，不需要線性放大。而新調(diào)制技術(shù)（如EDGE，即增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)）則需要采用線性放大器?？赏ㄟ^欠驅(qū)動（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(dá)到線性度要求。但該方法的問題在于它會直接降低放大器的效率。

　　當(dāng)輸出擺幅達(dá)到電源電平時(shí)，單晶體管輸出級效率會提高。如要提高效率，要選擇合適的電源電壓和負(fù)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?yàn)樵谳敵鲂盘柦咏娫措妷簳r(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(qū)動到接近電源電平時(shí)會導(dǎo)致放大器的線性變差。任何放大器，只要其電路設(shè)計(jì)使其輸出擺幅接近電源電平值，線性都會比較差。放大器線性問題最終以放大器削波的形式表現(xiàn)出來，受電源電壓所限，信號變化無法正確地表示出被放大的輸入信號（圖1）。

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

　　對線性的要求

　　盡管不好理解，但在許多RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，線性并不是最主要的問題。事實(shí)上，設(shè)計(jì)師常選用C類放大器，這充分表明，對于某些類型的通信信號，輸入正弦波并不一定是最關(guān)鍵要求。例如，調(diào)頻電臺的RF信號就是如此。在發(fā)送調(diào)頻信號時(shí)，波形過零點(diǎn)就可以包括信號的所有信息。即使波峰失真，解調(diào)信號保真度也不會受到影響。過激勵的FM電臺信號會產(chǎn)生載波頻率的諧波，從干擾角度來看，這些諧波可能是有害的，但調(diào)諧到過激勵FM電臺信號的收音機(jī)仍可正常工作（圖2）。

圖2，調(diào)頻信號y（t）不受放大器非線性影響。 信息包含在過零點(diǎn)中，而非幅值中，因此放大器幅值失真不會引起問題。

　　過去10年以來，獲取手機(jī)射頻頻帶的高成本和對收益的追求，促使人們設(shè)計(jì)出可在較窄頻帶中傳輸更多信息的先進(jìn)的調(diào)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(shù)據(jù)或是每秒每赫茲多少數(shù)據(jù)位來表示。新近提議的手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（如EDGE）中包括的信息遠(yuǎn)不止是信號過零點(diǎn)信息。新的手機(jī)調(diào)制方案（如QAM，即正交幅度調(diào)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(shù)字信息，從而使64-QAM方案具有了較高的帶寬效率，達(dá)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(shù)據(jù)。有些向量容易出現(xiàn)相位誤差，有些向量容易出現(xiàn)幅值誤差。在這兩種情況下，波形包絡(luò)的精度都很重要，這就使放大器線性問題變得非常重要。

　　在這樣的高級調(diào)制方案中，線性差會帶來一些問題。由于解調(diào)器需要的信號的幅值和相位都要準(zhǔn)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，晶體管會達(dá)到飽和，在信號中加入其固有對數(shù)非線性成分。結(jié)果導(dǎo)致放大器編碼的符號向量丟掉正確的幅值和相位。非線性問題嚴(yán)重到一定程度，符號會重疊并導(dǎo)致信息丟失。

　　有些方案可以解決晶體管固有的非線性問題，但在晶體管對數(shù)傳遞函數(shù)工作點(diǎn)處晶體管會出現(xiàn)偏差。因此，實(shí)現(xiàn)這樣的解調(diào)方案會比較困難。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(diào)方案是很難估計(jì)和處理的，這是因?yàn)槊總€(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，A級輸出級具有固有的非線性特性，使輸出信號正和負(fù)幅值不對稱。在較低頻率下，通過反饋可以解決非線性問題。很快，晶體管放大器就演化為運(yùn)算放大器，其前向增益可達(dá)120dB以上，這樣設(shè)計(jì)師就可以通過采用大量負(fù)反饋來改善信號的線性。此反饋與A-B級輸出級組合可達(dá)到較高線性度。例如美國國家半導(dǎo)體公司的LME49710標(biāo)稱線性度為0.00003%。但是要注意，此線性度規(guī)格是對應(yīng)于頻率相對較低的工作條件。所有放大器在頻率升高時(shí)都會出現(xiàn)增益下降的現(xiàn)象。電流反饋放大器結(jié)構(gòu)在高頻下增益損失較小，但在高頻下增益仍會有所降低。