理解包絡(luò)跟蹤功率放大器及其特性

傳統(tǒng)固定電源功率放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程已經(jīng)多年未變。有了定義良好的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，放大器設(shè)計(jì)者的工作只是設(shè)計(jì)出一個(gè)有最佳性能標(biāo)準(zhǔn)組合的功放。這并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的工作，但設(shè)計(jì)者至少知道一些公認(rèn)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于包絡(luò)跟蹤功率放大器，情況要復(fù)雜得多，它需要使用更復(fù)雜的特性確定技術(shù)。

包絡(luò)跟蹤的目標(biāo)是，提高那些承載高峰均功率比信號(hào)的功放效率。為了在有限的頻譜資源中獲得高的數(shù)據(jù)吞吐量，就需要采用有高峰均功率的線性調(diào)制。不幸的是，傳統(tǒng)的固定電源功放在這些情況下工作效率低下。與RF信號(hào)包絡(luò)同步地改變放大器的電源電壓，可以提高包絡(luò)跟蹤功放的效率。功放的基礎(chǔ)輸出特性（功率、效率、增益和相位）現(xiàn)在取決于兩個(gè)控制輸入值：RF輸入功率與電源電壓，可以表述為3D面。

一個(gè)典型的包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)會(huì)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)電源電壓，以高的即時(shí)功率跟蹤RF包絡(luò)。這種情況下，功放以高效率工作在壓縮狀態(tài)。主要由瞬時(shí)電源電壓決定放大器的輸出特性。反之，當(dāng)瞬時(shí)RF功率低時(shí)，電源電壓保持大體恒定，主要由線性區(qū)中的瞬時(shí)輸入功率決定功放的輸出特性。在這兩個(gè)極端情況之間，存在著一個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)，此時(shí)電源電壓和輸入功率都對(duì)輸出特性有影響（圖1）。

圖1 :當(dāng)即時(shí)RF功率低時(shí)，電源電壓維持基本恒定，而線性區(qū)的即時(shí)輸入功率就基本決定了功率放大器的輸出特性。

包絡(luò)跟蹤的線性

如果知道了一個(gè)功放的AM（波幅調(diào)制）/AM和AM/PM（相位調(diào)制）特性，就可以構(gòu)建出一個(gè)功率的簡(jiǎn)單準(zhǔn)靜態(tài)（即無(wú)存儲(chǔ)的）行為模型。瞬時(shí)RF包絡(luò)與所需施加電源電壓之間的映射對(duì)這些特性有極大的影響，也包括功放的其它重要指標(biāo)，如功率與效率。在包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)中，包絡(luò)路徑中一個(gè)成形表（shaping table）的內(nèi)容決定了這種映射（圖2）。

圖2 :即時(shí)RF包絡(luò)與所施加電源電壓之間的映射對(duì)這些特性有很大影響，另外還有其它關(guān)鍵功放指標(biāo)，如功率與效率。在一個(gè)包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)中，包絡(luò)路徑中成形表的內(nèi)容決定了這個(gè)映射。

為實(shí)現(xiàn)“ISOgain”的成形，要選擇RF包絡(luò)與電源電壓之間的映射，以獲得某個(gè)恒定的功放增益（圖3）。采用這種映射時(shí)，包絡(luò)跟蹤放大系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低的AM/AM失真，即使在大部分包絡(luò)周期內(nèi)都工作在壓縮狀態(tài)（圖4）。圖中亦顯示了用固定電源工作時(shí)的等效軌跡；從這個(gè)軌跡看，顯然可以用包絡(luò)跟蹤對(duì)功放做線性化，降低鄰道功率比以及誤差矢量的幅度。

圖3 :為獲得“ISOgain”成形，要選擇RF包絡(luò)與電源電壓之間的映射，以獲得某個(gè)恒定的功放增益。

圖4 :包絡(luò)跟蹤放大器系統(tǒng)即使在多數(shù)包絡(luò)周期上都運(yùn)行在壓縮態(tài)，也能實(shí)現(xiàn)低的AM/AM失真。

采用成形表做功放線性化也有系統(tǒng)折衷，這就是，在線性度明顯提高的同時(shí)，效率有小的損失（請(qǐng)比較圖1圖5與圖4圖6）。成形功能的選擇也對(duì)包絡(luò)路徑的帶寬需求有很大影響。對(duì)于1%到2%的系統(tǒng)效率損失，線性區(qū)與壓縮區(qū)之間的平滑轉(zhuǎn)換可減小對(duì)包絡(luò)放大器的帶寬要求。

圖5 :采用成形表對(duì)功放做線性化時(shí)，系統(tǒng)的折衷是在線性度有相當(dāng)改善情況，損失了效率。線性區(qū)與壓縮區(qū)之間的平滑轉(zhuǎn)換結(jié)果是較低的帶寬。見(jiàn)圖1、4和6。

圖6 :選擇一個(gè)有最佳效率的成形表，可能使功放AM/AM非線性。

在設(shè)計(jì)一個(gè)固定電源的線性功放時(shí)，必須將大部分精力用于在最大輸出功率處獲得適當(dāng)?shù)木€性特性。很多因素都對(duì)線性度有影響，包括基本的技術(shù)特性、偏置，以及RF匹配等，而設(shè)計(jì)者的職責(zé)是在效率與線性度之間獲得最佳的折衷。但對(duì)于一個(gè)包絡(luò)跟蹤功率放大器，壓縮區(qū)的線性度不再是一個(gè)自主的功放參數(shù)。放大器在小功率低電區(qū)仍然必須是線性的。但在較大功率上，不存在AM線性度約束，開(kāi)發(fā)人員可以在設(shè)計(jì)功放時(shí)獲得最佳的包絡(luò)跟蹤效率，而不必顧慮AM線性度。與AM失真不同，包絡(luò)成形表并不直接控制相位失真。不過(guò)，很多功放工作在包絡(luò)跟蹤模式時(shí)，都表現(xiàn)出PM失真的下降。

這種自線性化的結(jié)果是，你可以用一個(gè)包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)，在信號(hào)峰值時(shí)做更多的壓縮，高于固定電源的放大器，從而在給定的線性度下增加了輸出功率。圖7是針對(duì)一個(gè)工作在固定電源和包絡(luò)跟蹤模式下的放大器，分別測(cè)得的鄰道泄漏比與誤差矢量幅度性能。在此例中，?40-dBc鄰道泄漏比時(shí)，采用包絡(luò)跟蹤模式的放大器輸出功率要比固定電源模式高2 dB。

圖7 :在-40 dBc鄰道泄漏比時(shí)，包絡(luò)跟蹤放大器的輸出功率要比固定電源模式放大器高2 dB (a)。亦顯示了誤差矢量幅度性能 (b).

確定特性的技術(shù)

如果沒(méi)有先定義好的成形表，就不可能測(cè)量包絡(luò)跟蹤功放的獨(dú)立性能。這種定義需要在電源電壓和輸入功率的全程區(qū)間上，測(cè)量功放的基本特性，包括輸出功率、效率、增益和相位。理論上說(shuō)，這種特性確定過(guò)程可以用一臺(tái)連續(xù)波網(wǎng)絡(luò)分析儀和一臺(tái)可調(diào)直流電源，但由于有熱效應(yīng)、區(qū)間誤差以及相位測(cè)量時(shí)的漂移，得到的結(jié)果通常并不好。另外這種方法還太慢，不能采用負(fù)載拉移（load-pull）技術(shù)。一種替代方案是采用標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，做脈沖特性測(cè)量。這種方法無(wú)需使用大帶寬、低阻抗電源，并足夠的快，可以采用拉移負(fù)載的方法。不過(guò)該方案很難做精確的相位測(cè)量。第三種方法是用真實(shí)的波形，并改變成形表，從而能夠測(cè)量輸入功率和供電電壓的全部組合。這種方法需要一個(gè)電源調(diào)壓器，但速度快，能夠獲取精確的相位信息，并且還可以確定存儲(chǔ)效應(yīng)的特性（圖8）。

圖8: 使用有包絡(luò)跟蹤電源調(diào)壓器的自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量配置，可以在動(dòng)態(tài)電源調(diào)節(jié)情況下，針對(duì)所有輸入功率與電源電壓組合，精確地捕捉和測(cè)量功率放大器的即時(shí)效率、增益和相位。

采用一個(gè)基本的包絡(luò)跟蹤功放特性，就可以建立一個(gè)功率放大器的準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)模型。這個(gè)模型可以有輸出功率、相位，以及效率作為輸出，而輸入功率和電源電壓作為輸入。一旦定義了成形表，就可以用此模型，預(yù)測(cè)放大器的性能參數(shù)，如對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形的鄰道功率比、誤差矢量幅度，以及效率。

同樣的硬件還可以用于確定功放的器件級(jí)特性，以及用已定義成形表對(duì)功放系統(tǒng)性能做直接驗(yàn)證（圖9）。對(duì)于較大帶寬的波形，放大器的存儲(chǔ)效應(yīng)可能是非線性的一個(gè)主要來(lái)源。功放的輸出參數(shù)（包括AM、PM和效率）現(xiàn)在都取決于時(shí)間（即信號(hào)的歷史），還有即時(shí)輸入功率與電源電壓。存儲(chǔ)效應(yīng)在放大器特性中體現(xiàn)為擴(kuò)展了AM/AM與AM/PM特性，可以源于輸入或輸出偏置電路中的電子時(shí)間常數(shù)，與局部片芯加熱相關(guān)的熱時(shí)間常數(shù)，或?qū)δ撤N技術(shù)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。

圖9 :相同硬件可以同時(shí)用于功放器件級(jí)的特性確定，以及功放系統(tǒng)性能的直接驗(yàn)證，方法是使用一個(gè)預(yù)定義的成形表，捕捉AM/AM響應(yīng) (a) 以及AM/PM響應(yīng) (b)。

提高效率

對(duì)典型的高峰均功率比信號(hào)統(tǒng)計(jì)表明，包絡(luò)跟蹤功率放大器通常大部分時(shí)間是工作在相對(duì)較低的電源電壓下，僅偶爾在大功率峰值上有短時(shí)高壓。因此，優(yōu)化放大器的匹配，從而獲得在目標(biāo)峰均功率比信號(hào)下的最佳效率，就好于簡(jiǎn)單地在峰值功率和最大電源電壓下獲得最佳效率的設(shè)計(jì)，后者是對(duì)固定電源功放的做法。設(shè)計(jì)者可以改變放大器的匹配，圍繞著信號(hào)概率密度函數(shù)的峰值來(lái)提高效率，雖然這樣會(huì)略微損失峰值功率效率，如下式所示（圖10）：

圖10 :設(shè)計(jì)者可以通過(guò)改變放大器的匹配，圍繞信號(hào)概念密度函數(shù)的峰值而提高效率，即使這樣做會(huì)付出少許峰值功率效率的代價(jià)。

為了徹底優(yōu)化一個(gè)包絡(luò)跟蹤功放的效率，可以擴(kuò)展器件的特性，使之包含隨輸入功率與電源電壓而掃描負(fù)載阻抗，可采用基本方法或諧波負(fù)載拉移方法。這種特性確定產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，而Matlab這類工具可以對(duì)這些數(shù)據(jù)做自動(dòng)化分析，預(yù)測(cè)出當(dāng)運(yùn)行在某組包絡(luò)跟蹤參數(shù)下時(shí)的平均效率。使用這種特性確定方法時(shí)，可以預(yù)測(cè)出放大器工作在包絡(luò)跟蹤模式時(shí)，其平均效率隨成形函數(shù)、輸出電壓擺幅、最大功率回退，以及波形統(tǒng)計(jì)等的變化（圖11）。

圖11: 當(dāng)工作在包絡(luò)跟蹤模式時(shí)，可以預(yù)測(cè)放大器平均效率針對(duì)成形函數(shù)、輸出電壓擺幅、最大功率回退，以及波形統(tǒng)計(jì)等方面的變化 (a)；另外還顯示了峰值輸出功率 (b)。

參數(shù)變動(dòng)的敏感度

你可能會(huì)認(rèn)為，包絡(luò)跟蹤功放在各種溫度上的性能要弱于固定電源電壓功放。但實(shí)際情況恰好相反。包絡(luò)功放的性能較固定電源功放對(duì)電源電壓特性的變化更敏感，且大于對(duì)推動(dòng)功放的RF鏈增益變化的敏感度。因?yàn)檩^RF增益的變動(dòng)，你能更好地控制各種溫度上的電源電壓特性，因此極端溫度變化情況下，線性度幾乎沒(méi)有什么變化（圖12）。

圖12: 由于能夠更好地控制在各種溫度上的電源電壓特性，優(yōu)于RF增益的變化，因此在極端溫度變化情況下，線性度幾乎沒(méi)有什么改變。

在一個(gè)手持環(huán)境下，功放會(huì)因?yàn)猷徑矬w的反射，而獲得不可控的負(fù)載阻抗，導(dǎo)致功放必須工作在VSWR（電壓駐波比）高達(dá)3:1的負(fù)載失配狀態(tài)。包絡(luò)跟蹤功放的自線性化原理亦適用于高VSWR情況，它可以獲得相當(dāng)好的鄰道功率比，以及誤差矢量幅度性能，優(yōu)于采用固定電源電壓的放大器（圖13）。

圖13 :包絡(luò)跟蹤功率放大器的自線性化原理亦適用于高VSWR情況，這樣就可以得到相當(dāng)好的鄰道功率比以及誤差矢量幅度性能，優(yōu)于固定電源模式下的放大器。

運(yùn)行在包絡(luò)跟蹤模式下的功率放大器有系統(tǒng)效率的好處，這是盡人皆知的。但它還有其它可用的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，如增加了輸出功率，改善了對(duì)失配負(fù)載的運(yùn)行，以及對(duì)溫度變化不敏感等。與固定電源電壓放大器相比，包絡(luò)跟蹤功率放大器需要收集多得多的數(shù)據(jù)，才能預(yù)測(cè)出其性能，并需要使用一個(gè)能夠掃描電源電壓和輸入功率的測(cè)試環(huán)境。關(guān)鍵是成形表的定義，它定義了電源電壓與RF功率之間的關(guān)系。一旦確定了成形函數(shù)，就可以使用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)特性平臺(tái)，直接測(cè)出效率和線性度。