理解和表征包络跟踪功率放大器

表征技术

包络跟踪功放的‘单独’性能是无法测量的，除非先对赋形表进行定义。这就要求在整个电源电压和输入功率范围内测量功放的基本特性(输出功率、效率、增益和相位)。原则上这种性能表征可以使用连续波(CW)网络分析仪和可调直流电源进行，但由于热效应、范围误差和相位测量的漂移，结果一般比较差。另外，如果允许使用负载拉移(LOAD PULL)技术，速度会很慢。替代方案是使用ATE控制的标准测试设备进行脉冲式表征。这样可以避免使用高带宽低阻抗的电源，对可行的负载拉移而言也足够快，但缺点是很难进行精确的相位测量。最新的方法是使用真实波形，并改变赋形表，从而实现对各种输入功率和电源电压组合的测量。这种方法需要一个电源调制器，但速度非常快，可以收集到精确的相位信息，也可以用来表征记忆效应。

图8：包络跟踪功放的表征平台。

‘基本的’包络跟踪功放表征可以用来创建功放的准静态(即无存储器)数据模型，这种模型将输出功率、相位和效率作为输出，输入功率和电源电压作为输入。一旦定义好赋形表，这种模型就可以用来针对标准测试波形，预测功放系统的性能参数，如ACPR、EVM和效率。

除了用于功放器件的性能水平表征外，还可以通过相同的硬件并使用定义好的赋形表直接验证功放系统性能(见图9)。

图9：在赋形表定义完成后的包络跟踪功放AM/AM和AM/PM特性。

对于更高带宽的波形，功放的记忆效应将成为主要的非线性来源。功放输出参数(AM、PM、效率)除了取决于瞬时输入功率和电源电压外，现在还取决于时间。在功放表征中，记忆效应表现为AM/AM和AM/PM特性的‘展宽(broadening)’，可能来源于输入或输出偏置电路中的电时间常数、与局部裸片加热有关的热时间常数或特定技术的‘电荷存储’效应。

效率优化

典型高峰值平均功率比(PAPR)信号的统计数据表明，包络跟踪功放大部分时间工作在相对低的电源电压下，只是偶然在大功率峰值时工作在大电压状态。因此优化功放匹配,对于在处理目标高PAPR信号时获得最高效率有很重要的意义，不能简单地仅在峰值功率/最大电源电压时实现最高效率，就像固定电源功放那样。从图10可以看出，应该修改功放匹配来提高信号概率密度函数峰值周围的效率，即使这样会牺牲一些峰值功效。

图10：信号统计数据对包络跟踪功放效率的影响。

为了全面优化包络跟踪功放的效率，可以进一步扩展器件表征过程，除了扫描输入功率和电源电压外，还可以扫描负载阻抗(基本或谐波负载拉移)。这种表征产生的大量数据资料分析可以自动进行(比如使用MATLAB)，从而预测出采用特定的包络跟踪参数集工作时的平均功放效率。例如，使用这种表征方法可以预测工作在包络跟踪模式下，功放的平均效率是如何随赋形函数、输出电压摆幅范围、最大功率回退幅度，以及波形统计数据而变化的(见图11)。

图11：包络跟踪平均效率和功放输出功率拉负载轮廓图。

包络跟踪功放参数变化灵敏度

一般认为，包络跟踪功放的温度性能要比固定电源功放差一些。事实上并非如此，与固定电源功放不同，包络跟踪功放的性能对电源电压特性的变化，要比对驱动功放射频链路增益的变化更加敏感。由于电源电压随温度变化的特性比射频增益易于控制，因此极端温度变化下，可以观察到的功放线性度变化很小(见图12)。

图12：包络跟踪功放的ACLR与温度的关系(105℃范围)。

在手机环境中，由于存在来自邻近物体的反射，因此呈现给功放的负载阻抗不好控制，因而可能导致功放必须工作在高达3:1 驻波比(VSWR)的负载失配状态。前面讨论的包络跟踪功放的‘自我线性化’原理在高VSWR条件下仍然有效，因此与工作在固定电源模式的相同功放相比，可以显著改善EVM和ACPR性能(见图13)。

图13：工作在3:1 VSWR负载失配时，包络跟踪功放和固定电源功放的EVM与回退功率关系比较。

本文小结

众所周知，功放工作在包络跟踪模式时具有很高的系统效率优势。不过，它还具有其它的系统优点，比如提高了输出功率、改进了负载失配时的工作性能，以及对温度变化不很敏感等。

与固定电源功放相比，包络跟踪功放的性能不是‘独立的’，需要收集更多的数据来预测系统性能。因此要求使用同时允许电源电压扫描和输入功率扫描的测试环境。关键是确定电源电压和射频功率之间关系的‘赋形表’定义。这个表定义了许多关键的功放指标。一旦定义好赋形函数后，就可以使用合适的‘系统表征’平台直接测量功放的效率和线性度。