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引言 通用對(duì)稱Doherty放大器現(xiàn)已在蜂窩基站中廣泛使用。設(shè)備生產(chǎn)商采用最初為AB類準(zhǔn)線性應(yīng)用設(shè)計(jì)的常規(guī)器件，證明了解決方案的可行性和線性化特征。下一步將是改進(jìn)這些解決方案。設(shè)備生產(chǎn)商應(yīng)當(dāng)提供專用組件，以提高性能，改善使用便利性，降低放大器級(jí)的成本。 飛思卡爾半導(dǎo)體針對(duì)2.11GHz~2.17GHz頻段的3G市場(chǎng)推出的方案是，提供包含兩個(gè)專用LDMOS器件的芯片集，用于非對(duì)稱Doherty拓?fù)洹Ｔ摲糯笃鞯哪繕?biāo)是要實(shí)現(xiàn)56dBm的峰值功率，以便在放大器輸出實(shí)現(xiàn)50W~60W的平均功率，并提供適當(dāng)余量以使用當(dāng)前的3G信號(hào)：峰均功率比 (PAR)在6dB~7dB之間的兩個(gè)WCDMA載頻。 現(xiàn)有設(shè)計(jì)要與更高性能的放大器之間實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，必須采用下列設(shè)計(jì)選項(xiàng)：在載頻和峰值器件之間應(yīng)用1dB非對(duì)稱電平，優(yōu)化內(nèi)部匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)允許寬帶放大器設(shè)計(jì)(是規(guī)定帶寬的3倍)。此外，為提高視頻帶寬(VBW)，減少對(duì)存儲(chǔ)器的影響，抑制調(diào)整和簡(jiǎn)化放大器設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)場(chǎng)工作，專門設(shè)計(jì)了特定偏置電路，集成在晶體管中。 綜合偏置法 AB類偏置電路是為了給RF晶體管柵極提供一個(gè)電壓，以固定靜電流(Idq)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，必須在帶RF晶體管的相同芯片上集成小型參考晶體管，并在其里面注入靜電流刻度值。該參考的柵壓復(fù)制到RF晶體管柵極。在參考和RF晶體管之間插入一個(gè)緩沖器，以視頻頻率提供很低的阻抗，從而抑制任何外部柵極解耦。緩沖器電壓直接從RF晶體管(Vdd)的漏極中獲取。此類配置提供理想的、非常快速的熱補(bǔ)償，這在外部是不能實(shí)現(xiàn)的。 圖1所示為偏置電路的電氣示意圖。 
圖1 偏置電路電氣示意圖 在Doherty中，載流子(主)放大器使用AB類偏置，峰值(從)放大器將使用C類偏置。設(shè)置峰值偏置的常用方法是，評(píng)估AB類柵壓，然后應(yīng)用固定的電壓增量來(lái)控制峰值開始出現(xiàn)的點(diǎn)。C類偏置由原來(lái)的AB類偏置電路演變而來(lái)，AB類設(shè)置通常在內(nèi)部是固定的，Vdelta 是唯一可外部控制的。在這兩個(gè)偏置電路中，可輕松發(fā)現(xiàn)它們還提供流程補(bǔ)償，在生產(chǎn)中不需要任何調(diào)整。 載流子和峰化晶體管 載流子和峰化晶體管設(shè)計(jì)用于滿足綜合偏置電路的要求，同時(shí)允許寬頻匹配和高阻抗。圖2所示為一個(gè)載流子晶體管的內(nèi)部示意圖，其中活動(dòng)芯片包括RF晶體管、偏置電路和輸入預(yù)匹配元素。
圖2 載流子(主)晶體管示意圖 輸入口添加了系列電容器，以便將柵壓與外部控制電壓隔開，從而允許使用常規(guī)的2引腳封裝。輸出預(yù)匹配基于一個(gè)2小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高阻抗和寬帶功能。 峰值晶體管基于相同技術(shù)，只不過(guò)它采用C類偏置電路。預(yù)匹配單元只需略微修改，就能適應(yīng)載流子和峰化器件(1dB)之間柵極外設(shè)的不同。峰值晶體管內(nèi)部示意圖如圖3所示。
圖3 峰值(從)晶體管示意圖 與占用幾乎相同硅面積的載流子芯片相比，峰值芯片由于利用Doherty操作中峰值晶體管功耗更低這一優(yōu)勢(shì)，因而密度更緊湊。因此，兩個(gè)晶體管可采用相同的封裝。以這兩款晶體管為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了單體放大器，并從RF和DC的角度驗(yàn)證了其性能。功耗為1dB時(shí)，載流子晶體管的功率為160W，而峰值晶體管的功率為200W。兩個(gè)偏置電路的熱補(bǔ)償在AB類中幾乎都非常理想(峰值晶體管用Vdelta=0V來(lái)測(cè)試)。值得注意的是，LDMOS晶體管里門限電壓的熱系數(shù)與電流有關(guān)。AB類和C類中需要應(yīng)用不同的系數(shù)。 非對(duì)稱Doherty設(shè)計(jì) 最終采用兩個(gè)晶體管的Doherty放大器使用了Wilkinson輸入分配器，該分配器當(dāng)然是非對(duì)稱的，而輸出合成器是一個(gè)使用四分之一波長(zhǎng)變壓器(非對(duì)稱電平為1dB)的常規(guī)設(shè)備。PCB材料是來(lái)自Taconic的RF35，其絕緣厚度是0.51mm(20mils)，足以滿足業(yè)內(nèi)當(dāng)前使用的PCB的要求。 圖4所示為載頻放大器拓?fù)鋱D。
圖4 載頻放大器圖 此處顯示的簡(jiǎn)單柵極DC偏置網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)1kΩ的串聯(lián)電阻器，因?yàn)镮C里集成了所有必須的低頻解耦電容器。 CW測(cè)量結(jié)果 Doherty放大器測(cè)量首先在小信號(hào)下的CW中執(zhí)行，在矢量網(wǎng)絡(luò)分析器(VNA)上提供快速掃頻。 圖5所示為寬帶響應(yīng)曲線，允許對(duì)放大器進(jìn)行“全面檢查”。
圖5 寬帶S參數(shù) 該放大器采用AB類偏置，在1dB壓縮點(diǎn)時(shí)可提供55dBm(315W)功率，3dB壓縮點(diǎn)時(shí)提供56dBm(400W)功率。Doherty運(yùn)行的優(yōu)化策略現(xiàn)在變?yōu)檎{(diào)整峰值偏置，實(shí)現(xiàn)在55dBm功率時(shí)獲得3dB壓縮點(diǎn)。圖6所示為整個(gè)UMTS頻段的功率掃描結(jié)果。
圖6 增益和漏極效率，CW功率掃描 Doherty的影響可從增益和效率曲線圖上看到。注意，由于測(cè)試臺(tái)限制，效率不能通過(guò)快速功率掃描測(cè)得，而需要通過(guò)純CW信號(hào)測(cè)得，這正好可以解釋曲線右側(cè)末端缺失的原因(消耗的功率太高)�，F(xiàn)在已經(jīng)在各種溫度上進(jìn)行了測(cè)量，如圖7所示，熱補(bǔ)償基本上比較理想。
圖7 增益和輸出電壓，溫度補(bǔ)償結(jié)果 這證明集成偏置電路的功能能夠滿足AB類和C類操作的需求，并且能夠讓熱系數(shù)適應(yīng)這個(gè)偏置水平。 視頻帶寬對(duì)3G放大器很重要。為了使自適應(yīng)預(yù)失真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的線性，放大器需要正確放大調(diào)制信號(hào)，提供比應(yīng)用的初始信號(hào)更寬的頻帶。事實(shí)上，放大器輸入處出現(xiàn)的額外失真有望抵消輸出生成的失真，頻帶超出初始頻帶數(shù)倍。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是支持帶兩個(gè)載頻的WCDMA應(yīng)用，間隔為5MHz，這意味著信號(hào)頻率需要為 10MHz左右，而VBW的目標(biāo)是40MHz。如圖8所示，在常規(guī)雙音調(diào)測(cè)試中，共鳴的頻率大約為60MHz。
圖8 雙音調(diào)測(cè)試，視頻帶寬 這一限制來(lái)自漏極饋線與晶體管內(nèi)部電容器的共鳴(Cd以及匹配元素)。輸入產(chǎn)生的影響無(wú)法觀察。因?yàn)榧善玫木壒?根據(jù)模擬所做的估算)，可以假定 100MHz以上的頻率產(chǎn)生影響�？傊�(dāng)UMTS波段達(dá)到28V時(shí)，CW可實(shí)現(xiàn)下列性能：56dBm峰值功率，8dB時(shí)可從峰值功率中獲得17dB增益，8dB時(shí)可從峰值功率中實(shí)現(xiàn)42%的效率，VBW=60MHz(共鳴)。 綜合信號(hào)結(jié)果 評(píng)估的第二部分是復(fù)雜的信號(hào)測(cè)量。測(cè)試使用的信號(hào)是2個(gè)WCDMA載頻，采用5MHz為間隔并進(jìn)行削波，以使PAR=6.5dB。所有測(cè)量都是在 2.14GHz頻率時(shí)完成的，其中Vdd=28V，測(cè)試臺(tái)上配置有數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真器。該設(shè)備專用于提供關(guān)于Doherty線性化和可實(shí)現(xiàn)的最大性能的信息。 圖9所示為數(shù)字預(yù)失真(DPD)之前和之后的鄰信道功率(ACP)和輸出平均功率之比。
圖9 調(diào)制信號(hào)測(cè)試，2載頻WCDMA ACP 可以看到，在功率高達(dá)49.5dBm時(shí)，線性化能夠刪除幾乎所有失真。高于這個(gè)電平就不可能了。49.5dBm(90W)是放大器開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行削波的電平，這意味著此電平的輸出峰值功率會(huì)上升為56dBm(49.5dBm+6.5dB)。 這與前面的CW測(cè)量有密切的關(guān)系。 還有一個(gè)非常有意思的現(xiàn)象，即線性化曲線在49.5dBm時(shí)出現(xiàn)明顯的“拐彎”。這意味著，在信號(hào)飽和并發(fā)生削波之前，放大器不會(huì)生成難以消除的失真或?qū)Υ鎯?chǔ)器造成較大的影響。為了對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)圖10進(jìn)行觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)線性化后輸出信號(hào)的PAR幾乎是在50dBm時(shí)獲得的，這也確認(rèn)了放大器的飽和功率電平。
圖10 調(diào)制信號(hào)測(cè)試，2個(gè)載頻WCDMA 的PAR和效率 注意，在這個(gè)功率電平上(49.5dBm/90W)，效率是44%，相當(dāng)于比該功率電平的常規(guī)對(duì)稱Doherty提高了2~3個(gè)百分點(diǎn)�？傊�，與兩個(gè) WCDMA載頻和28V/2.14GHz的6.5dB PAR相比，此處可實(shí)現(xiàn)的性能包括：最大平均功率49.5dBm(90W)；在49.5dBm時(shí)完成線性化后，ACP達(dá)到-55dBc；49.5dBm時(shí)效率為44%。 結(jié)語(yǔ) 使用飛思卡爾兩個(gè)專用LDMOS器件，可構(gòu)建簡(jiǎn)單而高效的非對(duì)稱Doherty放大器，并達(dá)到400W的峰值功率。載流子和峰值晶體管包含的集成偏置允許抑制偏置調(diào)整，從而簡(jiǎn)化柵極饋線，提供高視頻帶寬，同時(shí)確保幾近理想的熱補(bǔ)償。所選的非對(duì)稱電平(1dB)級(jí)別可以將Doherty的效率提高2~3個(gè)百分點(diǎn)。演示器顯示在利用2個(gè)WCDMA載頻和6.5dB PAR進(jìn)行線性化后，峰值功率可達(dá)到56dBm，平均功率達(dá)到49.5dBm(90W)(包括17dB增益)，效率為44%，ACP為55dBc 。根據(jù)能確�；痉糯笃魃a(chǎn)性能的余量，可估算這款Doherty產(chǎn)品在 47dBm(56W)與48dBm(63W)之間的功率電平時(shí)能達(dá)到40%左右的效率。具體情況將視系統(tǒng)顯示和線性化程度而定。 參考文獻(xiàn) 1. Raab, F.H. Asbeck. P. Cripps. S. Kenington. P.B, Popovic. Z.B, Pothecary. N., Sevic. J.F., Sokal. N.O. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on. 2. Burger. W., Brech. H., Burdeaux. D., Dragon. C., Formicone. G., Honan. M., Pryor. B., Ren X., RF-LDMOS: a device technology for high power RF infrastructure applications. Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, 2004. IEEE 3. Cripps. S. RF power amplifiers for wireless communications. Boston, MA: Artech House 1999 作者：飛思卡爾半導(dǎo)體 Jean-Jacques BOUNY 來(lái)源:電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2009年第11期 |
