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引言 通用對稱(chēng)Doherty放大器現已在蜂窩基站中廣泛使用。設備生產(chǎn)商采用最初為AB類(lèi)準線(xiàn)性應用設計的常規器件，證明了解決方案的可行性和線(xiàn)性化特征。下一步將是改進(jìn)這些解決方案。設備生產(chǎn)商應當提供專(zhuān)用組件，以提高性能，改善使用便利性，降低放大器級的成本。 飛思卡爾半導體針對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(zhuān)用LDMOS器件的芯片集，用于非對稱(chēng)Doherty拓撲。該放大器的目標是要實(shí)現56dBm的峰值功率，以便在放大器輸出實(shí)現50W~60W的平均功率，并提供適當余量以使用當前的3G信號：峰均功率比 (PAR)在6dB~7dB之間的兩個(gè)WCDMA載頻。 現有設計要與更高性能的放大器之間實(shí)現平滑過(guò)渡，必須采用下列設計選項：在載頻和峰值器件之間應用1dB非對稱(chēng)電平，優(yōu)化內部匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)允許寬帶放大器設計(是規定帶寬的3倍)。此外，為提高視頻帶寬(VBW)，減少對存儲器的影響，抑制調整和簡(jiǎn)化放大器設計人員的現場(chǎng)工作，專(zhuān)門(mén)設計了特定偏置電路，集成在晶體管中。 綜合偏置法 AB類(lèi)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(lèi)配置提供理想的、非�？焖俚臒嵫a償，這在外部是不能實(shí)現的。 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(lèi)偏置，峰值(從)放大器將使用C類(lèi)偏置。設置峰值偏置的常用方法是，評估AB類(lèi)柵壓，然后應用固定的電壓增量來(lái)控制峰值開(kāi)始出現的點(diǎn)。C類(lèi)偏置由原來(lái)的AB類(lèi)偏置電路演變而來(lái)，AB類(lèi)設置通常在內部是固定的，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)現它們還提供流程補償，在生產(chǎn)中不需要任何調整。 載流子和峰化晶體管 載流子和峰化晶體管設計用于滿(mǎn)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(kāi)，從而允許使用常規的2引腳封裝。輸出預匹配基于一個(gè)2小區的網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)實(shí)現高阻抗和寬帶功能。 峰值晶體管基于相同技術(shù)，只不過(guò)它采用C類(lèi)偏置電路。預匹配單元只需略微修改，就能適應載流子和峰化器件(1dB)之間柵極外設的不同。峰值晶體管內部示意圖如圖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，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設計了單體放大器，并從RF和DC的角度驗證了其性能。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)偏置電路的熱補償在A(yíng)B類(lèi)中幾乎都非常理想(峰值晶體管用Vdelta=0V來(lái)測試)。值得注意的是，LDMOS晶體管里門(mén)限電壓的熱系數與電流有關(guān)。AB類(lèi)和C類(lèi)中需要應用不同的系數。 非對稱(chēng)Doherty設計 最終采用兩個(gè)晶體管的Doherty放大器使用了Wilkinson輸入分配器，該分配器當然是非對稱(chēng)的，而輸出合成器是一個(gè)使用四分之一波長(cháng)變壓器(非對稱(chēng)電平為1dB)的常規設備。PCB材料是來(lái)自Taconic的RF35，其絕緣厚度是0.51mm(20mils)，足以滿(mǎn)足業(yè)內當前使用的PCB的要求。 圖4所示為載頻放大器拓撲圖。
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，因為IC里集成了所有必須的低頻解耦電容器。 CW測量結果 Doherty放大器測量首先在小信號下的CW中執行，在矢量網(wǎng)絡(luò )分析器(VNA)上提供快速掃頻。 圖5所示為寬帶響應曲線(xiàn)，允許對放大器進(jìn)行“全面檢查”。
圖5 寬帶S參數 該放大器采用AB類(lèi)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運行的優(yōu)化策略現在變?yōu)檎{整峰值偏置，實(shí)現在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(xiàn)圖上看到。注意，由于測試臺限制，效率不能通過(guò)快速功率掃描測得，而需要通過(guò)純CW信號測得，這正好可以解釋曲線(xiàn)右側末端缺失的原因(消耗的功率太高)�，F在已經(jīng)在各種溫度上進(jìn)行了測量，如圖7所示，熱補償基本上比較理想。
圖7 增益和輸出電壓，溫度補償結果 這證明集成偏置電路的功能能夠滿(mǎn)足AB類(lèi)和C類(lèi)操作的需求，并且能夠讓熱系數適應這個(gè)偏置水平。 視頻帶寬對3G放大器很重要。為了使自適應預失真系統實(shí)現良好的線(xiàn)性，放大器需要正確放大調制信號，提供比應用的初始信號更寬的頻帶。事實(shí)上，放大器輸入處出現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倍。設計的目標是支持帶兩個(gè)載頻的WCDMA應用，間隔為5MHz，這意味著(zhù)信號頻率需要為 10MHz左右，而VBW的目標是40MHz。如圖8所示，在常規雙音調測試中，共鳴的頻率大約為60MHz。
圖8 雙音調測試，視頻帶寬 這一限制來(lái)自漏極饋線(xiàn)與晶體管內部電容器的共鳴(Cd以及匹配元素)。輸入產(chǎn)生的影響無(wú)法觀(guān)察。因為集成偏置的緣故(根據模擬所做的估算)，可以假定 100MHz以上的頻率產(chǎn)生影響�？傊�，當UMTS波段達到28V時(shí)，CW可實(shí)現下列性能：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42%的效率，VBW=60MHz(共鳴)。 綜合信號結果 評估的第二部分是復雜的信號測量。測試使用的信號是2個(gè)WCDMA載頻，采用5MHz為間隔并進(jìn)行削波，以使PAR=6.5dB。所有測量都是在 2.14GHz頻率時(shí)完成的，其中Vdd=28V，測試臺上配置有數字自適應預失真器。該設備專(zhuān)用于提供關(guān)于Doherty線(xiàn)性化和可實(shí)現的最大性能的信息。 圖9所示為數字預失真(DPD)之前和之后的鄰信道功率(ACP)和輸出平均功率之比。
圖9 調制信號測試，2載頻WCDMA ACP 可以看到，在功率高達49.5dBm時(shí)，線(xiàn)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(kāi)始對信號進(jìn)行削波的電平，這意味著(zhù)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測量有密切的關(guān)系。 還有一個(gè)非常有意思的現象，即線(xiàn)性化曲線(xiàn)在49.5dBm時(shí)出現明顯的“拐彎”。這意味著(zhù)，在信號飽和并發(fā)生削波之前，放大器不會(huì )生成難以消除的失真或對存儲器造成較大的影響。為了對這些內容進(jìn)行確認，對圖10進(jìn)行觀(guān)察，會(huì )發(fā)現線(xiàn)性化后輸出信號的PAR幾乎是在50dBm時(shí)獲得的，這也確認了放大器的飽和功率電平。
圖10 調制信號測試，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%，相當于比該功率電平的常規對稱(chēng)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)現的性能包括：最大平均功率49.5dBm(90W)；在49.5dBm時(shí)完成線(xiàn)性化后，ACP達到-55dBc；49.5dBm時(shí)效率為44%。 結語(yǔ) 使用飛思卡爾兩個(gè)專(zhuān)用LDMOS器件，可構建簡(jiǎn)單而高效的非對稱(chēng)Doherty放大器，并達到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整，從而簡(jiǎn)化柵極饋線(xiàn)，提供高視頻帶寬，同時(shí)確保幾近理想的熱補償。所選的非對稱(chēng)電平(1dB)級別可以將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(xiàn)性化后，峰值功率可達到56dBm，平均功率達到49.5dBm(90W)(包括17dB增益)，效率為44%，ACP為55dBc 。根據能確�；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)能達到40%左右的效率。具體情況將視系統顯示和線(xiàn)性化程度而定。 參考文獻 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：飛思卡爾半導體 Jean-Jacques BOUNY 來(lái)源:電子設計應用2009年第11期 |
