使用模拟预失真进行射频功率放大器线性化

我们探讨了用于线性化射频放大器的模拟预失真的基本概念，并回顾了一些常见的实现方式。现代通信系统使用具有时变包络和相位角的信号。为了处理这些信号，发射机需要线性功率放大器（PA）。然而，它们也需要高效率的功率放大器。正如我们所知，这样的放大器不可避免地是非线性的。幸运的是，有许多方法可以线性化功率放大器的响应。我们在上一篇文章中了解到的一种方法是找到失真并将其从功率放大器的输出信号中减去。这被称为前馈线性化。预失真是另一种常用的线性化技术。它不是在输出端校正信号，而是在功率放大器之前放置一个非线性电路，使组合响应变得线性。这个电路被称为预失真器或预失真线性化器。预失真可以使用模拟或数字技术实现。在本文中，我们将专注于模拟预失真。正如我们将看到的，使用简单的二极管电路可以有效地实现幅度和相位线性化。然而，首先，让我们更普遍地检查预失真的基本原理。

预失真的基本原理

为了使预失真起作用，事先了解功率放大器的非线性至关重要。然后，我们相应地调整输入信号。预失真器和功率放大器的特性是关于期望的线性响应的镜像。这种关系在图1中进行了说明。预失真器的响应是功率放大器非线性特性的逆。

图1. 预失真器的响应是功率放大器非线性特性的逆。图片由Steve Arar提供

例如，考虑一个预期增益为1的功率放大器。然而，由于非线性，其静态特性根据函数y=g(x)变化。在这种情况下，预失真电路应表现出逆传递特性（y=g⁻¹(x)）。

补偿压缩特性

图1展示了一个常见的场景，其中功率放大器（PA）表现出压缩特性。为了补偿这种特性，预失真电路必须扩展信号幅度。这确保了预失真器/PA组合能够产生原始输入的放大副本（见图2）。扩展信号幅度可以抵消功率放大器的压缩特性。

图2. 扩展信号幅度可以抵消功率放大器的压缩特性。图片由Steve Arar提供。

请注意，预失真器需要适当地修改输入信号的幅度和相位。在较高的驱动电平下，预失真器通常被设计为提供正的幅度偏差和负的相位偏差，类似于上图中所示的预失真响应。

预失真的功率和频率考虑

图1中功率放大器特性的斜率在饱和区域是平坦的，这需要一个具有垂直特性的预失真曲线来进行补偿。因此，使用预失真器补偿功率放大器的饱和区域可能是一个挑战。预失真技术仅在不会导致功率放大器饱和的功率电平上有效。这也意味着，功率放大器的饱和决定了组合预失真器/PA系统的上限功率。峰值功率可能会进一步受到预失真器最大扩展能力的限制。预失真可以在射频（RF）、中频（IF）或基带频率上实现。在所有情况下，难点在于确定和生成适当的预失真传递函数。无论在何处执行预失真，基本原理都是相同的。例如，如果功率放大器具有压缩特性，我们就在输入信号上应用一个扩展特性。这样，经过发射机链的非线性后，波形将恢复到其期望的形态。

模拟预失真

当对线性度的要求适中时，可以使用模拟预失真电路来线性化功率放大器。这些预失真器可以设计成补偿幅度和相位的非线性。通常，模拟预失真电路是具有扩展插入损耗特性的衰减器。一种实现方法是使用两条并行信号路径：一条具有线性增益，另一条具有非线性压缩增益。这一概念在图3中进行了说明。左侧：模拟预失真的概念示意图。右侧：放大器和预失真的增益。

图3. 左侧：模拟预失真的框图。右侧：放大器和预失真的增益。图片由Steve Arar提供

通过从线性路径的输出中减去非线性路径的输出来获得输出。由于其具有压缩性非线性特性，非线性放大器的增益在大信号电平下会降低。正如我们在图3的增益图中看到的那样，这导致了预失真器整体增益的增加。增益的增加补偿了后续功率放大器的增益衰减。

使用二极管电路的模拟预失真

图4展示了如何使用二极管限幅器来实现上述框图中的非线性路径。使用二极管限幅器实现模拟预失真的非线性路径。

图4. 使用二极管限幅器实现模拟预失真的非线性路径。图片由Steve Arar提供

在低信号电平下，二极管不导通，上路径的衰减由衰减器决定。在高驱动电平下，二极管开始导通，增加了该路径的衰减。相移和衰减器模块可以用来调整预失真的响应。

带串联二极管和并联电容的线性化器

基于二极管的方法为我们提供了一种实现模拟预失真的系统化方法。文献中介绍了各种创新电路，这些电路利用二极管和晶体管的非线性行为来为信号路径增加增益扩展。图5展示了一个著名的例子。一个基于二极管的预失真电路。

图5. 一个基于二极管的预失真电路。图片由K. Yamauchi提供

这个线性化器由一个与电容并联的二极管组成。这个二极管-电容电路与信号路径串联。预失真器还使用了两个射频扼流圈用于直流馈电和两个直流阻断电容。在较高的驱动电平下，通过二极管的平均电流增加，降低了二极管的动态电阻。由于二极管与信号路径串联，在较高的输入信号电平下，其电阻的减小会导致预失真器的插入损耗减小。插入损耗的减小也可以被视为增益扩展。并联电容Cp使我们能够调整预失真器的相位偏移。图6展示了预失真器在1.9 GHz时对于不同正向二极管电流值的响应。图5中基于二极管的预失真器的测量响应。

图6. 图5中基于二极管的预失真器的测量响应。图片由K. Yamauchi提供

根据图6中的测量结果，该电路在0.1 mA到1 mA的正向电流下产生正的幅度偏差和负的相位偏差。因此，该电路可以用作功率放大器线性化的预失真器。

带并联二极管和偏置馈电阻的线性化器

提出上述电路的研究团队还开发了图7中的预失真器。一个位于功率放大器上游的简单预失真电路。

图7. 一个位于功率放大器上游的简单预失真电路。图片由K. Yamauchi提供

在这种情况下，使用了一个与偏置馈电阻（Rb）并联连接的二极管来补偿非线性功率放大器的失真。线性化器在其输入和输出处各包含两个直流阻断电容。在小信号工作时，二极管正向偏置。然而，对于大信号输入，流经二极管的电流在电流波形的低谷处被裁剪。这种整流作用增加了通过二极管的直流电流。由于直流电流通过偏置电阻Rb，随着驱动电平的增加，Rb上的电压降增大。这反过来又降低了二极管上的直流电压。因此，二极管的等效电阻随信号电平增加，导致幅度响应扩展。图8展示了这个预失真器对于三个不同电源电压值的响应。图7中预失真器对于三个不同Vcc值的计算响应。

图8. 图7中预失真器对于三个不同Vcc值的计算响应。图片由K. Yamauchi提供

该图显示了扩展响应。因此，该电路至少在有限的动态范围内可以用作预失真器。

应用

尽管文献中介绍了各种模拟预失真电路，但它们通常只能略微提高线性度。此外，它们通常仅在功率范围或带宽的某个特定最佳点提供这种改进。然而，这些电路具有以下优点：

• 成本低。

• 功耗低。

• 实现简单。

它们提供的适度线性度提升对移动无线电是有益的。此外，它们有时可以与更复杂的系统级线性化技术（如前馈）集成，以增强误差放大器的线性度。由于基于二极管的线性化技术仅在有限的功率范围内提供所需的响应，因此为给定放大器选择合适的线性化电路取决于其功率电平。