设计兼顾高线性和高效率的RF放大器

　　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。