设计兼顾高线性和高效率的RF放大器

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溃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