設(shè)計(jì)兼顧高線性和高效率的RF放大器

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

　　放大器設(shè)計(jì)師除了要面對(duì)線性問題外，還需要面對(duì)其他會(huì)影響線性的因素，這使RF放大器設(shè)計(jì)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(yīng)，從而引入隨時(shí)間或數(shù)據(jù)而變的非線性。電子記憶效應(yīng)類似于老式吉他電子管放大器中的記憶效應(yīng)。這類老式放大器配有廉價(jià)的電源系統(tǒng)，通常為開路線性電源，在電子管整流線路上裝一個(gè)電容。高音量的重力和弦會(huì)強(qiáng)烈激勵(lì)輸出級(jí)，并在電容放電后將電源電壓拉下來。大負(fù)載過去后，線路會(huì)給電容充電使其電壓恢復(fù)，但該過程要耗費(fèi)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(shù)據(jù)相關(guān)”非線性。非線性程度取決于先前信號(hào)的情況。RF功率放大器也容易發(fā)生類似現(xiàn)象。有些數(shù)據(jù)序列中可能需要采用可以很強(qiáng)地激勵(lì)放大器的符號(hào)。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)的非線性。此非線性隨RF載波調(diào)制情況而變。

　　除了這樣的電子記憶效應(yīng)外，放大器設(shè)計(jì)師還必須處理熱記憶效應(yīng)。熱晶體管和冷晶體管的傳遞函數(shù)是不同的，這就會(huì)給系統(tǒng)引入時(shí)間相關(guān)的非線性。如果環(huán)境溫度較高或是數(shù)據(jù)流使輸出級(jí)溫度升高，晶體管表現(xiàn)出的非線性特性將與低溫時(shí)的有所不同。隨著RF功率放大器中集成了更多的CMOS芯片，發(fā)熱引起的問題變得更為嚴(yán)重。

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

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

　　提高線性的方法

　　RF設(shè)計(jì)師不能僅僅將放大器輸出擺幅限制在較小范圍內(nèi)，而犧牲效率性能。他們可以采用反饋、前饋和預(yù)失真手段來保持效率，以延長(zhǎng)電池壽命和節(jié)省功耗。反饋措施適用于要求高線性、窄帶寬和中等效率的設(shè)計(jì)。前饋操作可用于要求高線性、但帶寬比較寬且對(duì)效率要求不高的設(shè)計(jì)。預(yù)失真可用于中等線性和帶寬要求的設(shè)計(jì)，但可以實(shí)現(xiàn)高效率。由于RF功率放大器工作頻率是如此之高，采用常規(guī)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(hào)，并將這些信號(hào)送回到輸入級(jí)。這個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到高線性，但前提是不會(huì)過度激勵(lì)輸出級(jí)。它的效率會(huì)比所預(yù)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。

　　為了使線性和帶寬都達(dá)到可接受的水平，RF設(shè)計(jì)師采取了預(yù)失真方法：進(jìn)行調(diào)制的I和Q信號(hào)可以補(bǔ)償確定性的系統(tǒng)非線性因素的影響。由于數(shù)字系統(tǒng)還可以采用復(fù)雜的算法預(yù)測(cè)熱記憶效應(yīng)和電子記憶效應(yīng)，這樣的結(jié)構(gòu)還可在出現(xiàn)此類問題時(shí)保持線性。注意這里仍然涉及到RF信號(hào)路徑上各元件的固有線性問題。在數(shù)字域的校正是有一定限度的。信號(hào)路徑越接近理想情況，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就越容易提供準(zhǔn)確的預(yù)失真信號(hào)。

　　Linear Technology公司高頻產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理James Wong認(rèn)為，對(duì)于系統(tǒng)元件的固有線性，設(shè)計(jì)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(nèi)建放大功能，較低的噪聲、較好的線性和優(yōu)越的隔離性能，這使它的動(dòng)態(tài)范圍非常出色。”他說，“這種方案大大降低了數(shù)字設(shè)計(jì)師……提供信號(hào)預(yù)失真的難度。”他指出，現(xiàn)代基站也使用笛卡兒反饋。電路將信號(hào)下變頻并獲得輸出信號(hào)I和Q分量，然后將其送回給DSP核心。這一方法使系統(tǒng)可以采取有實(shí)時(shí)笛卡兒反饋的復(fù)雜算法，并可根據(jù)信號(hào)鏈?zhǔn)褂玫脑扇☆A(yù)失真措施（圖5）。

圖5，根據(jù)基站所用部件情況采取數(shù)字預(yù)失真措施的手機(jī)基站。通過笛卡兒反饋，還可以采用動(dòng)態(tài)算法，該算法有助于補(bǔ)償記憶效應(yīng)和其他非線性因素的影響。

圖6，Doherty RF放大器采用了一個(gè)輔助放大器來改變主放大器的負(fù)載阻抗，可達(dá)到更高的效率。此方法使主放大器能連續(xù)地輸出大擺幅信號(hào)，使放大器功耗降低。如果輔助放大器降低主放大器負(fù)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(hào)通過電阻兩端，上放大器表觀負(fù)載為無限大。兩個(gè)放大器以相同幅值驅(qū)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(hào)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改變輸出并維持高效率。

　　但是，硬件設(shè)計(jì)師不是必須得采用數(shù)字預(yù)失真措施才能提高線性。硬件也可以起到改善線性和效率的作用；元件固有線性越好，數(shù)字系統(tǒng)的校正量就越小。設(shè)計(jì)師可能會(huì)考慮采用Doherty放大器。該放大器是貝爾實(shí)驗(yàn)室William H Doherty于1936年發(fā)明的（圖6和參考文獻(xiàn)1）。該種放大器有兩個(gè)RF路徑。RF信號(hào)不是僅僅在低功率級(jí)和高功率級(jí)之間來回傳送。RF放大器中輸出電壓擺幅應(yīng)接近電源電平。Doherty放大器用輔助放大器來改變主放大器的特性輸出阻抗。如果輔助放大器在傳輸線的另一端產(chǎn)生相同的信號(hào)，則向傳輸線輸出信號(hào)的放大器的輸出阻抗會(huì)變?yōu)闊o窮大（圖7）。由于傳輸線兩端為等電勢(shì)，所以沒有電流流過，通過線路的功率為零。如果不激勵(lì)輔助放大器，則主放大器表觀輸出阻抗為傳輸線路的特征阻抗。根據(jù)此原理，更進(jìn)一步說，如果激勵(lì)輔助放大器使其相位與主放大器相位差180°，則會(huì)差分驅(qū)動(dòng)傳輸線右側(cè)，主放大器的特性阻抗為傳輸線阻抗的一半，使傳輸?shù)墓β试龃?。主放大器輸出總是接近輸出電平。如果設(shè)計(jì)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。