设计兼顾高线性和高效率的RF放大器

基站和手机中的RF放大器都需要具有高线性度和高效率。通过采用一些聪明的技巧，设计师可以兼顾这两个互斥的要求。

要 点

新手机标准要求采用线性RF放大器。

提高线性通常会影响效率。

数字预失真是获得高线性和高效率的一个方法。

Doherty放大器实现了一种用硬件改善效率的方法。

非线性系统建模和仿真比较困难。

手机采用了现代调制方案，该方案要求线性放大RF信号。为了达到所需线性度，典型的做法是在输出端消耗更多的功率。该方法会降低效率，而对于手机、基站或其他电子系统，效率是最重要的参数之一。

在电信领域，手机和基站都很强调对效率的要求。对于手机，效率会直接影响电池的使用寿命。通过提高手机效率，还可以延长通话时间，这对于手机是最基本的功能。而对于基站来讲，效率高会减少电费，同样重要的是，还可降低发热量。降低发热量和功耗会产生一系列结果，从而降低初始投资、运营成本和总体拥有成本。

在较早的手机调制设计中，输出级的线性并不重要，因为解调并不要求信号必须是线性的。GSM（全球移动通信系统） 通信技术中的CW（连续波）、FM（调频）和GMSK（高斯最小频移键控）都具有恒定的包络线，不需要线性放大。而新调制技术（如EDGE，即增强型数据速率GSM演进）则需要采用线性放大器。可通过欠驱动（underdrive）RF放大器，使输出信号和电源电压间留有足够的差值，从而达到线性度要求。但该方法的问题在于它会直接降低放大器的效率。

当输出摆幅达到电源电平时，单晶体管输出级效率会提高。如要提高效率，要选择合适的电源电压和负载阻抗，使输出级摆幅接近电源电平。该方法中输出晶体管消耗的平均功率较低，因为在输出信号接近电源电压时输出晶体管承受的电压始终比较低。

然而遗憾的是，将输出信号驱动到接近电源电平时会导致放大器的线性变差。任何放大器，只要其电路设计使其输出摆幅接近电源电平值，线性都会比较差。放大器线性问题最终以放大器削波的形式表现出来，受电源电压所限，信号变化无法正确地表示出被放大的输入信号（图1）。

图1，通过对比蓝色的输入和黄色的中度削波波形或是红色的严重削波波形，可以清楚地看到削波失真的情况。与图中类似的对称谐波在频域作为奇次谐波出现。放大器非线性产生调制中失真，该失真与两个输入音无谐波关系。

对线性的要求

尽管不好理解，但在许多RF系统设计中，线性并不是最主要的问题。事实上，设计师常选用C类放大器，这充分表明，对于某些类型的通信信号，输入正弦波并不一定是最关键要求。例如，调频电台的RF信号就是如此。在发送调频信号时，波形过零点就可以包括信号的所有信息。即使波峰失真，解调信号保真度也不会受到影响。过激励的FM电台信号会产生载波频率的谐波，从干扰角度来看，这些谐波可能是有害的，但调谐到过激励FM电台信号的收音机仍可正常工作（图2）。

图2，调频信号y（t）不受放大器非线性影响。 信息包含在过零点中，而非幅值中，因此放大器幅值失真不会引起问题。

过去10年以来，获取手机射频频带的高成本和对收益的追求，促使人们设计出可在较窄频带中传输更多信息的先进的调制方案。这些方案的一个主要优点是它们具有较高的带宽效率。带宽效率以每兆赫多少兆位数据或是每秒每赫兹多少数据位来表示。新近提议的手机标准（如EDGE）中包括的信息远不止是信号过零点信息。新的手机调制方案（如QAM，即正交幅度调制）在RF载波频率包络信号的相位和幅值上都承载有信息。请看一下经典的64-QAM（64状态QAM）向量星座图（图3），信号相位和幅值都采用一系列符号向量来生成RF信号的包络。由于有64个向量，任一向量承载的信息可以表示6位的数字信息，从而使64-QAM方案具有了较高的带宽效率，达到了6 Mbps/MHz。

图3，64-QAM星座图每个符号向量可编码6位数据。有些向量容易出现相位误差，有些向量容易出现幅值误差。在这两种情况下，波形包络的精度都很重要，这就使放大器线性问题变得非常重要。

在这样的高级调制方案中，线性差会带来一些问题。由于解调器需要的信号的幅值和相位都要准确，所以信号的即时精度非常重要；而在FM传输中则只有过零点才有意义。如果工作信号将RF功率放大器激励到接近输出电平，晶体管会达到饱和，在信号中加入其固有对数非线性成分。结果导致放大器编码的符号向量丢掉正确的幅值和相位。非线性问题严重到一定程度，符号会重叠并导致信息丢失。

有些方案可以解决晶体管固有的非线性问题，但在晶体管对数传递函数工作点处晶体管会出现偏差。因此，实现这样的解调方案会比较困难。另外，在晶体管输出接近电源电平时，晶体管的饱和情况在解调方案是很难估计和处理的，这是因为每个RF源的电源电压都有一定不确定性。要解决符号精度差的问题，唯一的方法是提高RF功率放大器的精度。

由于晶体管的特性曲线，A级输出级具有固有的非线性特性，使输出信号正和负幅值不对称。在较低频率下，通过反馈可以解决非线性问题。很快，晶体管放大器就演化为运算放大器，其前向增益可达120dB以上，这样设计师就可以通过采用大量负反馈来改善信号的线性。此反馈与A-B级输出级组合可达到较高线性度。例如美国国家半导体公司的LME49710标称线性度为0.00003%。但是要注意，此线性度规格是对应于频率相对较低的工作条件。所有放大器在频率升高时都会出现增益下降的现象。电流反馈放大器结构在高频下增益损失较小，但在高频下增益仍会有所降低。

　　请记住，通过采用大反馈所提高的线性度也与大前向增益有关。因为放大器在高频下前向增益较低，所以在高频下反馈也比较小。因此RF放大器，特别是RF功率放大器，在工作频率为1GHz和更高时无法使用常规的反馈。

同样困难的是，多数RF放大器都是开路的，这就意味着它们很容易出现电源抑制和输出饱和问题。由于RF放大器在接近晶体管高限的频率下工作，实际操作中无法使其成为高增益运算放大器。在这点上，RF放大器设计师仍需要面对几十年前电子管设备设计师所遇到的所有困难。

放大器设计师除了要面对线性问题外，还需要面对其他会影响线性的因素，这使RF放大器设计变得更为困难。例如，放大器在加电和发热工作状况下会产生记忆效应，从而引入随时间或数据而变的非线性。电子记忆效应类似于老式吉他电子管放大器中的记忆效应。这类老式放大器配有廉价的电源系统，通常为开路线性电源，在电子管整流线路上装一个电容。高音量的重力和弦会强烈激励输出级，并在电容放电后将电源电压拉下来。大负载过去后，线路会给电容充电使其电压恢复，但该过程要耗费几十毫秒的时间。电源电压的下降会改变吉他放大器输出晶体管的偏置，引起不同的“数据相关”非线性。非线性程度取决于先前信号的情况。RF功率放大器也容易发生类似现象。有些数据序列中可能需要采用可以很强地激励放大器的符号。这种情况会影响到电源和放大器偏置，并产生时间相关的非线性。此非线性随RF载波调制情况而变。

除了这样的电子记忆效应外，放大器设计师还必须处理热记忆效应。热晶体管和冷晶体管的传递函数是不同的，这就会给系统引入时间相关的非线性。如果环境温度较高或是数据流使输出级温度升高，晶体管表现出的非线性特性将与低温时的有所不同。随着RF功率放大器中集成了更多的CMOS芯片，发热引起的问题变得更为严重。

图4，晶体管放大器固有非线性（a），削波失真（b）和电子记忆效应（c）及热记忆效应（d）所导致的RF功率放大器非线性。

图4 显示了RF功率级的非线性情况。晶体管非线性问题的核心在于晶体管电流-电压传递函数为一对数曲线，而不是直线。下一个问题是如何解决晶体管输出电压接近电源电平时的饱和问题。

提高线性的方法

RF设计师不能仅仅将放大器输出摆幅限制在较小范围内，而牺牲效率性能。他们可以采用反馈、前馈和预失真手段来保持效率，以延长电池寿命和节省功耗。反馈措施适用于要求高线性、窄带宽和中等效率的设计。前馈操作可用于要求高线性、但带宽比较宽且对效率要求不高的设计。预失真可用于中等线性和带宽要求的设计，但可以实现高效率。由于RF功率放大器工作频率是如此之高，采用常规的反馈措施并不实用。在此情况下，“反馈”一词通常指笛卡儿（Cartesian）反馈。在该种反馈中，电路将RF输出重新变换回基带，得到I（相位）和Q（幅值）信号，并将这些信号送回到输入级。这个系统可以达到高线性，但前提是不会过度激励输出级。它的效率会比所预想的要低。由于反馈放大器容易振荡，所以该方法不能用于宽带放大器。

为了使线性和带宽都达到可接受的水平，RF设计师采取了预失真方法：进行调制的I和Q信号可以补偿确定性的系统非线性因素的影响。由于数字系统还可以采用复杂的算法预测热记忆效应和电子记忆效应，这样的结构还可在出现此类问题时保持线性。注意这里仍然涉及到RF信号路径上各元件的固有线性问题。在数字域的校正是有一定限度的。信号路径越接近理想情况，数字系统设计师就越容易提供准确的预失真信号。

Linear Technology公司高频产品市场经理James Wong认为，对于系统元件的固有线性，设计师始终是很清楚的。“与被动上变频器后接一个放大器的方案相比，主动上变频器具有内建放大功能，较低的噪声、较好的线性和优越的隔离性能，这使它的动态范围非常出色。”他说，“这种方案大大降低了数字设计师……提供信号预失真的难度。”他指出，现代基站也使用笛卡儿反馈。电路将信号下变频并获得输出信号I和Q分量，然后将其送回给DSP核心。这一方法使系统可以采取有实时笛卡儿反馈的复杂算法，并可根据信号链使用的元件采取预失真措施（图5）。

图5，根据基站所用部件情况采取数字预失真措施的手机基站。通过笛卡儿反馈，还可以采用动态算法，该算法有助于补偿记忆效应和其他非线性因素的影响。

图6，Doherty RF放大器采用了一个辅助放大器来改变主放大器的负载阻抗，可达到更高的效率。此方法使主放大器能连续地输出大摆幅信号，使放大器功耗降低。如果辅助放大器降低主放大器负载阻抗，则主放大器输出较高功率。

图7，在此电路中，相同的信号通过电阻两端，上放大器表观负载为无限大。两个放大器以相同幅值驱动电阻两端，因此两个放大器都不会给电阻输出电流或功率。如果各放大器信号相位差180°，则各放大器的特性电阻值为电阻阻值的两倍大小。Doherty放大器利用此原理来改变输出并维持高效率。

但是，硬件设计师不是必须得采用数字预失真措施才能提高线性。硬件也可以起到改善线性和效率的作用；元件固有线性越好，数字系统的校正量就越小。设计师可能会考虑采用Doherty放大器。该放大器是贝尔实验室William H Doherty于1936年发明的（图6和参考文献1）。该种放大器有两个RF路径。RF信号不是仅仅在低功率级和高功率级之间来回传送。RF放大器中输出电压摆幅应接近电源电平。Doherty放大器用辅助放大器来改变主放大器的特性输出阻抗。如果辅助放大器在传输线的另一端产生相同的信号，则向传输线输出信号的放大器的输出阻抗会变为无穷大（图7）。由于传输线两端为等电势，所以没有电流流过，通过线路的功率为零。如果不激励辅助放大器，则主放大器表观输出阻抗为传输线路的特征阻抗。根据此原理，更进一步说，如果激励辅助放大器使其相位与主放大器相位差180°，则会差分驱动传输线右侧，主放大器的特性阻抗为传输线阻抗的一半，使传输的功率增大。主放大器输出总是接近输出电平。如果设计师希望发送功率低一些，则辅助放大器可以增加主放大器的特性输出阻抗，使放大器在接近输出电平的电压摆幅下输出较小的电流，从而输出较低的功率。

　　Doherty放大器的完善性使它适合用于手机应用的基站侧。在手机侧，对空间和成本的要求要严格得多。在此情况下，必要时可使用RF开关切换增益模块，从而大大降低功耗。例如，Avago的CoolPAM（功率放大器模块）RF部件给手机设计师提供了一个选择，使他们可以在宽输出功率范围内保持高效率（图8）。可以采用此直截了当的技术，而不是用直/直变换器向输出级供电。采用变换器可使RF输出级始终在接近饱和点处工作，因此可以改善效率。但是，直/直变换器会占用较大空间，并且自身也有效率极限。Avago公司声称，通过使用CoolPAM技术，可将通话时间延长1个小时以上，这对于手机设计师是一项很具吸引力的选择。

图8，低成本手机适合使用直接的方法提高效率。Avago生产的放大器模块可在输出功率大于16dBm的高功率模式（a）和输出功率小于16dBm的低功率模式（b）间切换。由于效率改善，通话时间可延长1小时。

建模

人们对RF功率放大器中线性和效率的追求也对RF系统开发使用的EDA工具产生了影响。 由于这些RF系统本质上的非线性，所以也具有与其他非线性系统相同的所有数学问题。 Spice和其他电路仿真技术可能在这里并不适用，而且可能会很耗时，因为RF设计通常需要稳态工作。而要达到此状态，可能需要经过数十亿个信号波。RF设计师一般采取黑箱建模方法（例如采用S（散射）参数）来设计系统。但是，S参数并没有考虑非线性因素，且缺乏放大器偏移模型。为了解决此问题，曾经推广了S参数设计方法的Agilent公司最近引入了X参数，即多谐波失真模型方法（参考文献2）。在X参数中综合了线性系统响应和非线性因素的响应。Agilent已提供了几篇文章来详细说明该技术，以后肯定会将X参数仿真加入到Agilent的RF设计工具，也肯定会开发可表征X参数的Agilent的测试设备。

由于新的手机调制方案的设计要求，RF功率放大器的设计越来越困难。长期以来，RF领域都凭感觉设计和依赖于工程师的经验。而由于这些新设计中对线性和效率的要求，人们为了设计可正常工作的放大器，需要有更多的专业技能。设计工作也开始跨越不同的领域。 RF、模拟和数字系统设计师都对信号链性能有影响。由于有经验的设计师现在可从EDA和测试设备制造商那里可获得先进工具和仪表，可以预期未来性能会有更惊人的提高，而成本则会显著降低。

　　参考文献

1. Vani Viswanathan, "Efficiency Enhancement of Base Station Power Amplifiers Using Doherty Technique," Virginia Polytechnic Institute and State University.

2. Verspecht, Jan, and David E Root, "Polyharmonic Distortion Modeling," IEEE Microwave Magazine, Volume 7, Issue 3, June 2006, pg 44.