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(多图) 可修正RF信号的RF预失真

Paul Rako?? EDN技术编辑?? 2011年07月31日 ?? 收藏1

  现代RF放大器既需要线性也需要高效率。线性要求是源于现代调制方法的使用,如QAM(正交幅度调制)和OFDM(正交频分多址调制,参考文献1)。这些放大器还需要效率,以降低功耗和减少散热。开发人员通常将现代RF放大器组件装在天线杆内。这些“杆顶”放大器的设计中,外壳可以不含风扇且直接暴露在日光下。在功耗上每节省1W,就意味着少了1W的散热器散热需求。另外,对放大器过驱动会导致失真,产生谐波尖刺,使解调无法进行。这些尖刺会落入邻近的频段,也许是手机公司并不拥有的频段。FCC(联邦通信委员会)对这种ACLR(邻道泄漏比)有严格的限制。

  所以,你有两个理由去实现良好的线性度:这样才能精确地调制信号,这样你的信号才不会干扰邻近的信号。同样重要的是,你能在输出级获得最佳的功率效率。问题是,线性与效率是互斥的。

  在频域和时域中都可以查看RF放大器的失真。在时域中,能够形象地看到一个通过RF放大器的切角或平顶正弦波,如同驱动过度而靠近电压轨的音频信号一样(图1)。在频域中,放大器失真表现为包含谐波的“边缘”,它进入了邻近频段范围内(图2)。对于任何放大器,希望的功率越高,则得到的失

真就越严重。在RF频率下,不仅有幅度失真,还有相位失真,以及由于热瞬变和电记忆效应所带来的失真(图3)。相位失真出现于快速转换速率区中,RF输出滞后于输入信号的情况,如当载波信号进入大地时,或当一个调制包络必须立即变到一个不同电平时。

  为了在一个确定带宽内装入更多信息,现代调制技术依赖于准确接收的RF信号包络。有了准确的电压与相位,就可以解码出代表某个数字码的点的星座。这个码产生出一个数字数据流,然后进一步解码成一个基带语音或数据信号。

  较老的调制方法对放大器的线性比较不敏感。AM(调幅)收音机与模拟电视广播都使用AM方式,它依赖的是RF信号的峰值。任何失真对所有峰值都有相同影响,而对所有接收信号的质量影响不大。FM(调频)收音机与模拟电视的音频信号采用的是FM方式,它取决于波形的零交越。因此任何幅度非线性都没有影响。相位失真对零交越有影响,但它们是均匀的效果,不会影响FM调制。

  提高RF放大器线性有多种技术。首先,可以采用更好的晶体管。于是,制造商会在RF晶体管生产中采用GaAs(砷化镓)和其它III-V族半导体工艺,即至少一个III族元素和至少一个V族元素组成的化学化合物。另外,还可以尝试用SiGe(硅锗)晶体管,也许再加上CMOS工艺(参考文献2)。虽然SiGe比GaAs慢,噪声也大,但通常也够用了,尤其是在低于3 GHz的频率下。工程师面临着在RF放大器中采用CMOS的压力,因为它的成本低,但CMOS的工作电压低,因此难以在功率放大器中实现。CMOS还有高的噪声系数,降低方法是增加晶体管结构的尺寸,但这种办法也增加了杂散电容,降低了产品的工作频率。RFMD和其它公司提供蓝宝石上做的CMOS,所有晶体管下面都有一个介电隔离层(参考文献3)。这种方法有成本优势,减少了杂散电容。

  受市场驱动的现实是,工程师们可以用CMOS制造用于Wi-Fi热点应用的小功率RF放大器。手机需要更特殊的工艺,如SOI(绝缘硅),GaAs将在近期手机基站上占支配地位。

  一旦你的功率放大器有了线性良好的晶体管技术,接下来要关注放大器的架构。你可以从一种间断驱动的架构(如Class C型)转换到一种更连续的类型,如Class AB型。Class C的效率高,因为它用一只晶体管驱动一个储能电路,产生出供发射的RF正弦波。但遗憾的是,Class C放大器不适应现代的线性需求,尤其是基站。获得良好线性的一种方式是减少对放大器的驱动,这样晶体管就不会接近饱和,输出电压摆幅就完全处于电源轨的范围内。不幸的是,这种方案的效率最差。

  为解决这个问题,可以尝试采用一种Doherty放大器,它是一种复合型设备,使用了一个主通道和一个辅助RF通道,可以在信号强度低时节省功耗,而当需要较高功率时,仍能适应较大的信号摆幅(图4)。Doherty放大器架构运行很好,但它增加了理想的简单放大器级的器件数和复杂性。

  如果为了获得效率而要将RF放大器置于饱和状态,则可以尝试用正反馈技术使之线性化。十多年来,RF设计者已成功地将这些技术用于手机基站。现在的问题是,用于4G(第四代)LTE(长期演进)的新调制方法有更高的要求。为了获得更高的带宽效率(以每赫兹比特度量),即便对最好的放大器,这些新的调制方法也提出了困难的线性要求。

  这种状况促使工程师们采用预失真(predistortion)技术对RF功率放大器做线性化(参考文献4)。由于这类技术要对天线馈送的输出做采样,并送回输入端,它看起来类似于所有模拟工程师都熟知的反馈技术。但是,预失真并不会给


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RF放大器? 功率晶体管? 预失真?

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