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使用RF PA線性化器優(yōu)化功率放大器的預(yù)失真

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-01-05 14:57 ? 次閱讀
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本文提供功率放大器設(shè)計(jì)指南,以利用Maxim射頻RF)功率放大器(PA)線性化器(RFPAL)或其他類型的預(yù)失真實(shí)現(xiàn)最佳性能。

介紹

本文提供設(shè)計(jì)功率放大器的指南,以利用Maxim的射頻(RF)功率放大器(PA)線性化器(RFPAL)或其他類型的預(yù)失真實(shí)現(xiàn)最佳性能。使用RFPAL產(chǎn)品(SC1894和SC2200),經(jīng)過優(yōu)化調(diào)諧的PA可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)28dB的校正;因此,允許放大器以盡可能高的效率運(yùn)行。相反,未針對(duì)線性化器操作進(jìn)行優(yōu)化的PA幾乎無法實(shí)現(xiàn)線性度改善,并且可能無法滿足頻譜要求。

部署在無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的大多數(shù)RF PA使用AB類或Doherty架構(gòu)。AB 類 PA 通常用于微波回程應(yīng)用或極低天線輸出功率應(yīng)用,在 A 類和 B 類之間動(dòng)態(tài)偏置。它們是線性度、輸出功率、效率和成本之間的折衷。另一方面,Doherty PA用于使用高PAR信號(hào)以高效率提供高功率,但它們需要使用線性化技術(shù)來滿足光譜發(fā)射模板要求。RFPAL可以應(yīng)用于兩種類型的放大器,以實(shí)現(xiàn)更好的效率和線性度結(jié)果。AB類和Doherty PA的典型效率曲線與輸出功率的函數(shù)關(guān)系如圖1所示。

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圖1.AB/B 類和多爾蒂功率放大器的理想功率效率曲線。

在圖1中,我們可以看到,為了實(shí)現(xiàn)AB類PA的合理線性度,必須降低平均功率,使信號(hào)峰值低于1dB壓縮點(diǎn)?,F(xiàn)在的效率非常低,約為10%。使用針對(duì)線性化優(yōu)化的AB PA類,這一比例可以提高到24%左右,因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以將信號(hào)峰值推入PA的非線性工作區(qū)域,接近飽和。Doherty PA依靠電路技術(shù)在信號(hào)大部分時(shí)間的回退區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效率。通常,針對(duì)無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用優(yōu)化的LDMOS Doherty PA可實(shí)現(xiàn)高達(dá)50%的效率。但某種形式的線性化對(duì)于滿足規(guī)格至關(guān)重要,因?yàn)镈oherty PA是一種非線性器件。

無線基礎(chǔ)設(shè)施中線性化的常用方法是數(shù)字預(yù)失真(DPD)。這通常是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),使用反饋路徑,該路徑接入PA輸出,下變頻,然后將信號(hào)數(shù)字化,然后由線性化器使用。因此,典型的反饋路徑由包括下變頻混頻器、可變?cè)鲆娣糯笃?/u>ADC在內(nèi)的模塊組成。作為分立式實(shí)現(xiàn),這些組件會(huì)增加系統(tǒng)的額外成本和功耗。RFPAL將線性化器和所有必要的反饋元件集成到單個(gè)IC中。這大大簡化(并加快了)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),并最大限度地減少了額外的電路板空間。

適當(dāng)?shù)?a target="_blank">晶體管陣容

RF PA發(fā)射器系統(tǒng)通常需要大量的功率增益,而這只能通過使用多個(gè)增益級(jí)來實(shí)現(xiàn)。選擇最終級(jí)晶體管是為了滿足給定PA架構(gòu)中的系統(tǒng)輸出功率規(guī)格,其行為有助于滿足線性度和效率等其他關(guān)鍵要求。

PA必須設(shè)計(jì)為峰值功率輸出等于或大于發(fā)射器所需的平均功率加上信號(hào)的峰均比(PAR)。這是為了確保信號(hào)的峰值不會(huì)被削波或失真,從而導(dǎo)致信息丟失。平均功率要求決定了傳輸信號(hào)的距離或范圍:小區(qū)覆蓋范圍。最終PA級(jí)晶體管的選擇取決于PA架構(gòu)。

對(duì)于AB類PA,晶體管的峰值或飽和功率PSAT決定了PA的峰值功率。

對(duì)于Doherty PA,有幾個(gè)變量,包括包含多少Doherty分支,設(shè)計(jì)是對(duì)稱的,使用相同尺寸的晶體管,還是不對(duì)稱的,使用更高功率的晶體管作為峰值放大器,輸入功率分配比,僅舉幾例。通常,Doherty PA的峰值功率是晶體管的PSAT之和,平均功率由主放大器晶體管的功率能力決定。

通常,發(fā)射器系列中的最終PA具有約15dB的功率增益。所需增益的其余部分由多個(gè)驅(qū)動(dòng)器級(jí)和預(yù)驅(qū)動(dòng)器級(jí)級(jí)聯(lián)彌補(bǔ)。這些放大器級(jí)必須設(shè)計(jì)為在其線性范圍內(nèi)工作;假設(shè)幾乎所有的發(fā)射機(jī)失真都是在最后級(jí)PA中產(chǎn)生的。驅(qū)動(dòng)器放大器的尺寸必須使其能夠以峰值功率提供PA所需的輸入,并具有一定的裕量。這是為了確保驅(qū)動(dòng)器始終在其1dB壓縮點(diǎn)以下工作,并提供線性輸出。預(yù)驅(qū)動(dòng)器級(jí)的尺寸必須以類似的方式確定,盡管這通常不是問題,因?yàn)樗璧墓β仕较喈?dāng)適中。在圖2中,我們顯示了標(biāo)稱10W平均功率發(fā)射器的示例陣容,可用于PAR高達(dá)8dB的3G或4G信號(hào)。

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圖2.示例 10W PA 陣容。

驅(qū)動(dòng)器和預(yù)驅(qū)動(dòng)器器件的選擇對(duì)于低功率發(fā)射器尤其重要,例如平均功率輸出低于約5W的小型蜂窩設(shè)計(jì)。在這種情況下,驅(qū)動(dòng)器級(jí)的功耗對(duì)整體系統(tǒng)效率有很大影響。如果我們將驅(qū)動(dòng)器包含在RFPAL線性化器環(huán)路中,則驅(qū)動(dòng)器器件可能不必滿足全PA的嚴(yán)格線性度要求。 然而,這種方法將預(yù)失真資源從最終階段線性化中轉(zhuǎn)移出來。這可能導(dǎo)致較低的整體線性度,但更高的系統(tǒng)效率。在這種低功耗發(fā)送器情況下,應(yīng)選擇驅(qū)動(dòng)器,使其線性度(例如通過其ACLR性能測(cè)量)比校正后最終級(jí)的ACLR高約0dB至3dB。一個(gè)近似的經(jīng)驗(yàn)法則是選擇具有飽和功率的驅(qū)動(dòng)器,P坐,比最后級(jí)所需的峰值輸入功率高約3dB。

對(duì)于中等功率PA,驅(qū)動(dòng)器級(jí)器件通常經(jīng)過優(yōu)化,使其線性剛好足以顯著降低整體ACLR性能。這種“更好的線性度”導(dǎo)致效率降低,但釋放了線性化器資源來校正最終階段。在中等功率發(fā)送器情況下,驅(qū)動(dòng)器線性度或ACLR應(yīng)比校正后的最終級(jí)好~5dB。

在宏基站中使用的高功率PA中,驅(qū)動(dòng)器和預(yù)驅(qū)動(dòng)器晶體管的選擇使得驅(qū)動(dòng)器和預(yù)驅(qū)動(dòng)器都不會(huì)降低整體線性度性能。預(yù)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器的效率較低,但這意味著整體大功率發(fā)射器效率的降低非常小。此外,這些系統(tǒng)的首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)盡可能高的最終級(jí)效率,通常在寬信號(hào)帶寬下。在大功率發(fā)射器情況下,驅(qū)動(dòng)器線性度應(yīng)比校正后的最終級(jí)好~10dB。

使用 RFPAL 進(jìn)行校正所需的 PA 特性

Maxim的RF預(yù)失真算法基于Volterra級(jí)數(shù)近似,該近似通常用于PA線性化領(lǐng)域。Volterra 級(jí)數(shù)是一個(gè)無窮級(jí)數(shù),因此在實(shí)踐中,我們截?cái)嘣摷?jí)數(shù)以在近似精度和計(jì)算成本之間給出最佳折衷方案。馬克西姆選擇了由四個(gè)延遲抽頭組成的Volterra近似,每個(gè)抽頭都是奇數(shù)階九次多項(xiàng)式。這種方法在復(fù)雜性和有效性之間提供了很好的折衷方案,確保我們可以取消高達(dá)九階的IM失真產(chǎn)物。圖 3 和圖 4 對(duì)此進(jìn)行了更詳細(xì)的顯示。

這種簡化的Volterra模型假設(shè)PA在所需的工作頻率范圍內(nèi)具有平坦對(duì)稱的交調(diào)產(chǎn)物,在支持的信號(hào)帶寬上具有良好匹配的AM-AM和AM-PM特性,表現(xiàn)良好的AM-AM和AM-PM紋波和變化,以及有限的記憶效應(yīng)。以下各節(jié)將討論所有這些要求的詳細(xì)信息。

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圖3.沃爾泰拉級(jí)數(shù)方程。

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圖4.沃爾泰拉系列框圖。

賓夕法尼亞州上午到上午響應(yīng)

AM-AM響應(yīng),在整個(gè)工作范圍內(nèi)具有≤2dB(非線性)增益紋波,可實(shí)現(xiàn)最佳線性化性能。

放大器的AM-AM響應(yīng),即輸出功率與輸入功率的關(guān)系,是用于確定給定PA線性度和校正性的關(guān)鍵特性之一。線性PA產(chǎn)生直接的AM-AM線路響應(yīng);輸入功率每增加1dB,PA的輸出功率正好增加1dB;由于是線性的,PA不會(huì)產(chǎn)生失真。在深度退避(遠(yuǎn)離壓縮)下運(yùn)行的 PA 以這種方式運(yùn)行。但是,這通常不是我們?cè)跓o線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中操作PA的方式,因?yàn)樾史浅5?。蜂窩基站中使用的RF PA以壓縮方式工作,通常在信號(hào)峰值處接近飽和,以最大限度地提高效率。在這些工作條件下,PA是相當(dāng)非線性的,一些線性化手段對(duì)于發(fā)射器滿足特定的頻譜發(fā)射要求同時(shí)保持高效工作至關(guān)重要。 AB類放大器通常具有單調(diào)增益響應(yīng),當(dāng)輸出功率接近飽和點(diǎn)(即增益壓縮)時(shí),增益會(huì)降低。Doherty等高級(jí)PA架構(gòu)通常具有更復(fù)雜的AM-AM響應(yīng)。Doherty PA通常在峰值放大器接合的功率電平處表現(xiàn)出增益擴(kuò)展。圖5顯示了在大約49dBm (RMS) P時(shí)的多爾蒂增益膨脹現(xiàn)象外.為了最大限度地發(fā)揮使用RFPAL的優(yōu)勢(shì),必須將這種增益擴(kuò)展降至最低。

圖 5.1 顯示了可接受的 AM 到 AM 響應(yīng)的示例。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的放大器,非線性PA的AM-AM增益變化在整個(gè)工作范圍內(nèi)(包括壓縮區(qū)域)不應(yīng)超過2dB。圖5.1中的增益增益變化約為1.4dB。RFPAL將該P(yáng)A線性化,使其具有一條直線(線性)AM至AM曲線,如圖5.2所示。相比之下,圖5.3中的PA的增益紋波大于3dB,這限制了RFPAL線性化該P(yáng)A的有效性,如圖5.4所示。這兩條不同的AM-to-AM曲線實(shí)際上是在同一PA上以不同的偏差測(cè)量的。由于AM-AM響應(yīng)的這種差異,四載波WCDMA信號(hào)的相鄰?fù)ǖ佬孤┍龋ˋCLR)在圖5.1中正確設(shè)計(jì)的PA上比圖5.3中設(shè)計(jì)不佳的PA好~4dBc。

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圖 5.1.未經(jīng)校正的 AM-to-AM,用于精心設(shè)計(jì)的 PA。 圖 5.2.針對(duì)精心設(shè)計(jì)的 PA 校正了 AM-to-AM。
圖 5.3.設(shè)計(jì)不佳的 PA 的未校正 AM-到 AM。 圖 5.4.針對(duì)設(shè)計(jì)不佳的 PA 校正了 AM-to-AM。

圖5.PA AM-AM回應(yīng)。

SC1894不包括一階校正項(xiàng),以提供均衡或在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的增益平坦度校正。因此,PA應(yīng)設(shè)計(jì)為在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有平坦的增益響應(yīng),在整個(gè)目標(biāo)頻帶上變化不超過1dB。只要相位變化(AM至PM;見下文)降低到10°以下,就可以容忍高達(dá)1.5dB的更大變化。頻率范圍內(nèi)的不均勻增益和(非線性化)AM-AM增益變化大于2dB會(huì)顯著降低整體線性化性能。

建議提高PA增益平坦度以實(shí)現(xiàn)寬帶性能

賓夕法尼亞州上午到下午響應(yīng)

使用RFPAL進(jìn)行可校正RF放大器設(shè)計(jì)的第二個(gè)關(guān)鍵要素是相位響應(yīng)或AM-to-PM響應(yīng)。當(dāng)PA輸出功率接近P時(shí),PA的相位開始旋轉(zhuǎn)坐.相位旋轉(zhuǎn)量和相變的單調(diào)性對(duì)線性化結(jié)果都很重要。

如果增益變化小于1dB,則整體相位旋轉(zhuǎn)不應(yīng)超過15°。如果增益變化大于1dB,則AM-to-PM應(yīng)小于10o,以便使用RFPAL實(shí)現(xiàn)良好的線性化。

此外,如果AM-PM曲線平滑單調(diào)且沒有拐點(diǎn),則線性化性能會(huì)得到顯著改善,如圖6.1所示。

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圖 6.1.未經(jīng)校正的 AM-到 PM,用于精心設(shè)計(jì)的 PA。 圖 6.2.針對(duì)設(shè)計(jì)良好的 PA 校正了 AM-到 PM。
圖 6.3.設(shè)計(jì)不佳的 PA 的未校正 AM-到 PM。 圖 6.4.針對(duì)設(shè)計(jì)不佳的 PA 校正了 AM-到 PM。

圖6.PA AM-PM 繪圖。

AB 類 LDMOS 放大器通常具有簡單的 AM-PM 曲線(圖 6.1),而 Doherty 型放大器在單相圖中可以同時(shí)具有正斜率和負(fù)斜率特性,如圖 6.3 所示。相位方向的多次變化使線性化更加困難。建議將圖6.3中的~49dBm(RMS)相位的高功率相變轉(zhuǎn)換為高于峰值(瞬時(shí))P外操作范圍。

放大器的AM-PM響應(yīng)在整個(gè)應(yīng)用頻率范圍內(nèi)應(yīng)表現(xiàn)出類似的特性:平滑、單調(diào)的曲線,具有相似的總相變。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持一致的AM-to-PM性能有助于確保與任何線性化方案(包括RFPAL)保持一致的性能。

PA記憶效應(yīng)

PA中所謂的記憶效應(yīng)實(shí)際上是PA中能量存儲(chǔ)的一種表現(xiàn)。

將PA的存儲(chǔ)器效應(yīng)保持在5ns以下,以通過RFPAL獲得最佳性能。

“短期”存儲(chǔ)器效應(yīng)與PA的匹配網(wǎng)絡(luò)以及晶體管的輸入和輸出電容以及傳輸時(shí)間行為有關(guān)。PA中的匹配網(wǎng)絡(luò)通常設(shè)計(jì)為無損阻抗變壓器,能量存儲(chǔ)在匹配的無功組件中。這些網(wǎng)絡(luò)在PA輸入端提供共軛匹配,在PA輸出端提供功率匹配,為晶體管的容性輸入和輸出導(dǎo)納提供與50Ω(通常)的適當(dāng)匹配。這些匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為在信號(hào)的RF載波頻率下工作,從預(yù)失真的角度來看,如果它們?cè)谀繕?biāo)頻段產(chǎn)生平坦的頻率響應(yīng)和線性相位,則不太重要。

“長期”記憶效應(yīng)是在時(shí)間尺度上,可以與信號(hào)的包絡(luò)或信息速率相關(guān)聯(lián),并且該時(shí)間尺度上PA性能或行為的任何變化都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。這些是預(yù)失真中主要關(guān)注的記憶效應(yīng)。長期記憶效應(yīng)的主要來源是:

熱效應(yīng):信息信號(hào)的幅度隨時(shí)間變化,以響應(yīng)數(shù)據(jù)本身和用戶數(shù)量(流量負(fù)載)。這意味著輸入到晶體管的能量隨時(shí)間變化,晶體管因此加熱和冷卻。加熱和冷卻的速率取決于晶體管的半導(dǎo)體材料,并且與信號(hào)能量的變化速率不同。因此,晶體管和PA的瞬時(shí)增益隨時(shí)間變化,產(chǎn)生復(fù)雜的增益行為,不僅取決于給定時(shí)刻的信號(hào)值,還取決于信號(hào)的近期歷史。熱記憶效應(yīng)在TDD操作中可能更為明顯,其中PA信號(hào)連續(xù)打開和關(guān)閉,導(dǎo)致熱能爆發(fā)進(jìn)入晶體管。

電荷捕獲效果:捕獲和隨后發(fā)射電荷,晶體管通道中的電子,導(dǎo)致流經(jīng)器件的電流變化,這些變化不僅取決于器件中的瞬時(shí)電壓,還取決于電壓信號(hào)的歷史。所有半導(dǎo)體材料和界面都是陷阱的潛在來源,但硅LDMOS晶體管相對(duì)沒有陷阱,而由砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)等化合物半導(dǎo)體制成的功率FET在寬帶寬PA中越來越受歡迎,更容易受到陷阱效應(yīng)的影響。

偏置和電源電路在PA托盤上的直流偏置和電源電路上發(fā)現(xiàn)的PCB走線和去耦或旁路電容器有助于電感和電容儲(chǔ)能元件,從而產(chǎn)生記憶效應(yīng)。與這些偏置或供應(yīng)線濾波器相關(guān)的大時(shí)間常數(shù)使它們成為長期記憶的重要貢獻(xiàn)者。偏置電路長期記憶效應(yīng)的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)是下面描述的視頻帶寬。

RFPAL架構(gòu)具有四個(gè)延遲抽頭,包括一個(gè)300ns項(xiàng)。300ns 延遲可補(bǔ)償強(qiáng)烈的熱效應(yīng),并且僅限于 IM3。其他抽頭可以考慮長達(dá)5ns的記憶效應(yīng)校正。

視頻帶寬 (VBW)

當(dāng)VBW

推薦使用 VBW>3-5x 信號(hào)帶寬,以獲得最佳 RFPAL 性能。

RF功率放大器的視頻帶寬(VBW)通常表示為PA顯示對(duì)稱和恒定互調(diào)(IM)乘積的頻率范圍。這通常通過雙音測(cè)試來測(cè)量,其中兩個(gè)音之間的頻率間隔增加,并且作為音分離的函數(shù)監(jiān)控高階以及上三階和低三階IM產(chǎn)品的功率電平。在音調(diào)分離掃描期間,總PA輸出功率保持恒定,以消除由于PA增益在頻帶上的變化而產(chǎn)生的任何影響。圖7顯示了LDMOS Doherty PA的VBW測(cè)量結(jié)果。

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圖7.LDMOS Doherty PA 上的 VBW 測(cè)量示例。

左邊是總功率和每個(gè)基本音的功率,隨著音調(diào)分離的增加。總功率保持大致恒定,而單個(gè)音調(diào)幅度因?qū)拵ьl率響應(yīng)而不同。右邊是上三階和低三階 IM 音調(diào)功率。在兩個(gè)IM產(chǎn)品開始分歧約3dB之前,我們達(dá)到了大約90MHz的音調(diào)分離。這會(huì)產(chǎn)生 3 × 90MHz = 270MHz 的 VBW,這是本例中兩個(gè) IM 音的總頻率分離。我們還可以使用高階 IM 音調(diào)評(píng)估 VBW。IM 產(chǎn)品發(fā)散的基本音調(diào)分離較少,但總 IM 音調(diào)分離應(yīng)大致相同:

3 × ΔIM3 ≈ 5 × ΔIM5,其中三角洲是每種情況下的基本音調(diào)分離。

RFPAL要求VBW大于信號(hào)帶寬的三倍,使VBW成為信號(hào)帶寬的四到五倍,使RFPAL能夠更有效地處理高階互調(diào)產(chǎn)物,以獲得更好的校正性能。例如,對(duì)于設(shè)計(jì)用于容納兩個(gè)連續(xù)的20MHz LTE信號(hào)以實(shí)現(xiàn)40MHz信號(hào)帶寬的PA,VBW需要至少為120MHz,RFPAL才能校正三階IM不對(duì)稱性。例如,如果信號(hào)現(xiàn)在是放置在頻段2兩端的2-20MHz載波,則總信號(hào)帶寬為60MHz,并且VBW要求增加到180MHz,以便能夠校正三階積。

影響VBW的主要因素之一是偏置饋電。有關(guān)更多詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱第 4.3 節(jié)。

針對(duì) RFPAL 優(yōu)化 PA 的一些技巧

在此優(yōu)化步驟的適應(yīng)期間運(yùn)行 RFPAL 可提供有關(guān)此優(yōu)化步驟成功的實(shí)時(shí)反饋。

更改PA配置(電源電壓、偏置應(yīng)用、阻抗匹配等)時(shí),強(qiáng)烈建議在重新優(yōu)化PA性能之前復(fù)位RFPAL。

初始 ACLR 注意事項(xiàng)

SC1894 RFPAL通??梢蕴峁?5dB至28dB的ACLR校正,具體取決于信號(hào)PAR、PA類型和信號(hào)帶寬。有關(guān)更多詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱 RFPAL 的 PA 結(jié)果。作為近似值,可以合理地假設(shè)優(yōu)化的AB類PA的校正為15dB,優(yōu)化的主動(dòng)偏置高效Doherty PA的校正為20dB。

為了使RFPAL能夠提供最佳校正,PA的設(shè)計(jì)應(yīng)使PA的未校正ACLR不低于AB類PA的目標(biāo)ACLR + 15dB和Doherty PA的ACLR + 20dB。例如,如果使用WCDMA波形的小型蜂窩的ACLR目標(biāo)為-50dBc,則初始未校正ACLR應(yīng)不低于-50dBc + 20dBc = -30dBc。

使用 RFPAL 在循環(huán)中分析 AM-AM 和 AM-PM 結(jié)果

如第3節(jié)所示,表征PA的幅度和相位響應(yīng)對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)性能非常重要。還應(yīng)測(cè)量啟用RFPAL的PA的幅度和相位響應(yīng)。這樣做可以提供有關(guān)哪個(gè)參數(shù)未得到充分糾正的寶貴信息;因此,無論是主要幅度、相位還是記憶效應(yīng),都會(huì)降低 ACLR 性能。如果所有三個(gè)參數(shù)都令人滿意,但PA仍未達(dá)到目標(biāo)規(guī)格,則原因可能是由于VBW不足。

RFPAL的一大優(yōu)點(diǎn)是它允許PA和線性化器一起工作,并能夠在有源條件下調(diào)諧和優(yōu)化PA的匹配電路、柵極和漏極偏置以及Doherty電路。

信號(hào)和視頻帶寬

RF功率晶體管通常具有相當(dāng)?shù)偷呢?fù)載和源特性阻抗,以實(shí)現(xiàn)最佳功率輸出和效率性能。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)旨在將這些低阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω。匹配網(wǎng)絡(luò)通常設(shè)計(jì)為最低Q值,以最大化RF信號(hào)帶寬。

PA還必須設(shè)計(jì)為最大或至少最佳的VBW。雖然VBW是在RF下測(cè)量的,但它是由較低頻率的關(guān)注點(diǎn)決定的。奇階IM產(chǎn)物的不對(duì)稱性是偶數(shù)階IM產(chǎn)物調(diào)制PA行為的結(jié)果,偶數(shù)階IM產(chǎn)物接近直流。理想情況下,與PA的直流連接是短路,但必須在特定帶寬內(nèi)保持這種低阻抗,以便短路晶體管連接處產(chǎn)生的任何偶數(shù)階IM信號(hào)。如果這種低頻阻抗不可忽略,則偶數(shù)階IM產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生調(diào)制偏置的電壓信號(hào),進(jìn)而調(diào)制PA的復(fù)數(shù)增益,例如非線性記憶效應(yīng)。在寬頻率范圍內(nèi)保持直流連接的低RF阻抗是PA偏置線路設(shè)計(jì)的目標(biāo)。使用靠近晶體管連接的去耦電容可以改善該參數(shù),從而增加VBW。一些RF功率晶體管制造商已經(jīng)通過封裝設(shè)計(jì)和封裝內(nèi)電路解決了這個(gè)問題。

漏極電壓和靜態(tài)電流(IDSQ)

將功率晶體管的靜態(tài)電流設(shè)置為適當(dāng)?shù)乃揭彩莾?yōu)化PA性能及其RFPAL性能的關(guān)鍵步驟之一。將電源電壓施加到放大器托盤(即5V、28V或48V)時(shí),調(diào)節(jié)柵極電壓,使靜態(tài)電流(IDSQ) 將提升到目標(biāo)值。對(duì)于Doherty放大器,主放大器的靜態(tài)電流通常與標(biāo)準(zhǔn)AB類放大器一樣調(diào)節(jié),而峰值放大器的柵極電壓低于柵源閾值電壓的水平(V總金),將此器件置于C類。 調(diào)整峰值晶體管的柵極偏置會(huì)影響整個(gè)Doherty PA的線性度和效率。

利用RFPAL進(jìn)行線性化的GaN PA設(shè)計(jì)考慮因素

GaN技術(shù)帶來了大帶寬的優(yōu)勢(shì),但代價(jià)是增益擴(kuò)展和大回退(遠(yuǎn)離最大功率的~12dB至15dB)時(shí)失真增加。我們將大回退中的失真稱為“小信號(hào)失真”。

而LDMOS PA在高回退(從P>15dB)時(shí)通常具有很少的非線性度.MAX),在RFPAL輸出可能被禁用的范圍內(nèi),GaN PA在如此高的退避下可能會(huì)產(chǎn)生顯著的失真,可能比在更高的功率水平下更大。此外,對(duì)于LDMOS PA,回退時(shí)PA的增益與輸出功率電平無關(guān),至少與第一近似值無關(guān),但通??梢钥吹紾aN PA的增益在10dB回退時(shí)增加>3dB。

Volterra系列校正信號(hào)由SC1894的校正塊(CORR)產(chǎn)生。簡化框圖如圖 8 所示。受GaN PA行為影響的元素以紅色顯示。

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圖8.SC1894校正路徑框圖。

為了幫助提高GaN PA性能,SC1894固件中引入了GaN PA模式。 與任何線性化技術(shù)一樣,GaN PA必須滿足某些標(biāo)準(zhǔn)才能獲得最佳線性化性能:

足夠的線性化帶寬(> 3-5x 信號(hào)帶寬)

表現(xiàn)良好的 AM-AM 和 AM-PM 響應(yīng)(單調(diào),無扭結(jié),在低功耗下平坦)

低記憶效果

射頻識(shí)別動(dòng)態(tài)范圍

線性化GaN PA時(shí),RFIN動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要。

射頻輸入功率在 P.MAX必須仔細(xì)選擇:

當(dāng)PA以最大功率工作時(shí),RFIN電平必須盡可能高(在RFPAL數(shù)據(jù)手冊(cè)的限制范圍內(nèi))。

由于PDET指數(shù)和CORR VGA增益在RFIN范圍內(nèi)是固定的,因此校正功率在回退時(shí)會(huì)降低。RFIN 功率在 P 時(shí)越高.MAX,回退越高,有利于小信號(hào)失真線性化

PA增益隨溫度的變化也是一個(gè)需要考慮的非常關(guān)鍵的參數(shù):

PA增益必須在整個(gè)溫度和批次之間盡可能小地變化(理想情況下,在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為< ±1.5dB)。

正溫度系數(shù) (PTC) 焊盤可用于補(bǔ)償 (NTC) PA 增益(見圖 8)。

盡管FW使用PDET增益補(bǔ)償來補(bǔ)償PA增益。較大的變化會(huì)降低整體 RFIN 動(dòng)態(tài)范圍。

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圖9.RFIN 范圍和 PA 增益變化。

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圖 10.RFIN 范圍和 PA 增益溫度變化。

結(jié)論

避免產(chǎn)生過度小信號(hào)失真的過于激進(jìn)的偏置。

為獲得最佳 RFIN 動(dòng)態(tài)范圍:

在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持收發(fā)器至PA輸出增益盡可能恒定(目標(biāo)溫度范圍內(nèi)±1.5dB)。

在所有條件下,將 RFIN 保持在 RFPAL 數(shù)據(jù)手冊(cè)限值內(nèi)盡可能高的水平。

為了滿足傳統(tǒng)的線性化技術(shù):

允許 VBW > 3-5 倍信號(hào)帶寬。

在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持增益紋波≤ 2dB(非線性)的 AM-AM 響應(yīng),以實(shí)現(xiàn)最佳線性化性能。

如果增益變化小于1dB,則AM至PM的整體相位旋轉(zhuǎn)不應(yīng)超過15°。如果增益變化大于1dB,則AM-PM相位旋轉(zhuǎn)應(yīng)小于10°,以便使用RFPAL進(jìn)行良好的線性化。

建議提高PA增益平坦度以實(shí)現(xiàn)寬帶性能。

將PA的記憶效應(yīng)保持在5ns以下。

審核編輯:郭婷

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