現(xiàn)代RF放大器既需要線性也需要高效率。線性要求是源于現(xiàn)代調(diào)制方法的使用，如QAM(正交幅度調(diào)制)和OFDM(正交頻分多址調(diào)制，參考文獻(xiàn)1)。這些放大器還需要效率，以降低功耗和減少散熱。開發(fā)人員通常將現(xiàn)代RF放大器組件裝在天線桿內(nèi)。這些“桿頂”放大器的設(shè)計中，外殼可以不含風(fēng)扇且直接暴露在日光下。在功耗上每節(jié)省1W，就意味著少了1W的散熱器散熱需求。另外，對放大器過驅(qū)動會導(dǎo)致失真，產(chǎn)生諧波尖刺，使解調(diào)無法進(jìn)行。這些尖刺會落入鄰近的頻段，也許是手機公司并不擁有的頻段。FCC(聯(lián)邦通信委員會)對這種ACLR(鄰道泄漏比)有嚴(yán)格的限制。
所以，你有兩個理由去實現(xiàn)良好的線性度：這樣才能精確地調(diào)制信號，這樣你的信號才不會干擾鄰近的信號。同樣重要的是，你能在輸出級獲得最佳的功率效率。問題是，線性與效率是互斥的。
在頻域和時域中都可以查看RF放大器的失真。在時域中，能夠形象地看到一個通過RF放大器的切角或平頂正弦波，如同驅(qū)動過度而靠近電壓軌的音頻信號一樣(圖1)。在頻域中，放大器失真表現(xiàn)為包含諧波的“邊緣”，它進(jìn)入了鄰近頻段范圍內(nèi)(圖2)。對于任何放大器，希望的功率越高，則得到的失真就越嚴(yán)重。在RF頻率下，不僅有幅度失真，還有相位失真，以及由于熱瞬變和電記憶效應(yīng)所帶來的失真(圖3)。相位失真出現(xiàn)于快速轉(zhuǎn)換速率區(qū)中，RF輸出滯后于輸入信號的情況，如當(dāng)載波信號進(jìn)入大地時，或當(dāng)一個調(diào)制包絡(luò)必須立即變到一個不同電平時。
為了在一個確定帶寬內(nèi)裝入更多信息，現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)依賴于準(zhǔn)確接收的RF信號包絡(luò)。有了準(zhǔn)確的電壓與相位，就可以解碼出代表某個數(shù)字碼的點的星座。這個碼產(chǎn)生出一個數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，然后進(jìn)一步解碼成一個基帶語音或數(shù)據(jù)信號。
較老的調(diào)制方法對放大器的線性比較不敏感。AM(調(diào)幅)收音機與模擬電視廣播都使用AM方式，它依賴的是RF信號的峰值。任何失真對所有峰值都有相同影響，而對所有接收信號的質(zhì)量影響不大。FM(調(diào)頻)收音機與模擬電視的音頻信號采用的是FM方式，它取決于波形的零交越。因此任何幅度非線性都沒有影響。相位失真對零交越有影響，但它們是均勻的效果，不會影響FM調(diào)制。
提高RF放大器線性有多種技術(shù)。首先，可以采用更好的晶體管。于是，制造商會在RF晶體管生產(chǎn)中采用GaAs(砷化鎵)和其它III-V族半導(dǎo)體工藝，即至少一個III族元素和至少一個V族元素組成的化學(xué)化合物。另外，還可以嘗試用SiGe(硅鍺)晶體管，也許再加上CMOS工藝(參考文獻(xiàn)2)。雖然SiGe比GaAs慢，噪聲也大，但通常也夠用了，尤其是在低于3 GHz的頻率下。工程師面臨著在RF放大器中采用CMOS的壓力，因為它的成本低，但CMOS的工作電壓低，因此難以在功率放大器中實現(xiàn)。CMOS還有高的噪聲系數(shù)，降低方法是增加晶體管結(jié)構(gòu)的尺寸，但這種辦法也增加了雜散電容，降低了產(chǎn)品的工作頻率。RFMD和其它公司提供藍(lán)寶石上做的CMOS，所有晶體管下面都有一個介電隔離層(參考文獻(xiàn)3)。這種方法有成本優(yōu)勢，減少了雜散電容。
受市場驅(qū)動的現(xiàn)實是，工程師們可以用CMOS制造用于Wi-Fi熱點應(yīng)用的小功率RF放大器。手機需要更特殊的工藝，如SOI(絕緣硅)，GaAs將在近期手機基站上占支配地位。
一旦你的功率放大器有了線性良好的晶體管技術(shù)，接下來要關(guān)注放大器的架構(gòu)。你可以從一種間斷驅(qū)動的架構(gòu)(如Class C型)轉(zhuǎn)換到一種更連續(xù)的類型，如Class AB型。Class C的效率高，因為它用一只晶體管驅(qū)動一個儲能電路，產(chǎn)生出供發(fā)射的RF正弦波。但遺憾的是，Class C放大器不適應(yīng)現(xiàn)代的線性需求，尤其是基站。獲得良好線性的一種方式是減少對放大器的驅(qū)動，這樣晶體管就不會接近飽和，輸出電壓擺幅就完全處于電源軌的范圍內(nèi)。不幸的是，這種方案的效率最差。
為解決這個問題，可以嘗試采用一種Doherty放大器，它是一種復(fù)合型設(shè)備，使用了一個主通道和一個輔助RF通道，可以在信號強度低時節(jié)省功耗，而當(dāng)需要較高功率時，仍能適應(yīng)較大的信號擺幅(圖4)。Doherty放大器架構(gòu)運行很好，但它增加了理想的簡單放大器級的器件數(shù)和復(fù)雜性。
如果為了獲得效率而要將RF放大器置于飽和狀態(tài)，則可以嘗試用正反饋技術(shù)使之線性化。十多年來，RF設(shè)計者已成功地將這些技術(shù)用于手機基站。現(xiàn)在的問題是，用于4G(第四代)LTE(長期演進(jìn))的新調(diào)制方法有更高的要求。為了獲得更高的帶寬效率(以每赫茲比特度量)，即便對最好的放大器，這些新的調(diào)制方法也提出了困難的線性要求。
這種狀況促使工程師們采用預(yù)失真(predistortion)技術(shù)對RF功率放大器做線性化(參考文獻(xiàn)4)。由于這類技術(shù)要對天線饋送的輸出做采樣，并送回輸入端，它看起來類似于所有模擬工程師都熟知的反饋技術(shù)。但是，預(yù)失真并不會給
一個誤差放大器提供反饋信號，因為RF信號速度太快，無法將一個真正的載波頻率信號回送給誤差放大器。預(yù)失真采用的是一些算法，它們可精確預(yù)測放大器各種工作條件下的效應(yīng)，從而調(diào)節(jié)輸入信號，使之通過RF功放時有更好的線性。
可以設(shè)想一下算法的基礎(chǔ)功能。對一個擺幅大到接近電源軌的正弦載波，所有RF放大器都會將其抹平。因此，預(yù)失真算法會使這些較大幅度的正弦波有更尖銳的波峰。這樣，就可以從放大器獲得一個較純凈的正弦波。在時域中很容易看到這種情況。而在頻域中，可以將預(yù)失真想象成增加某種相位角的諧波成分，它抑制掉非線性RF功放所產(chǎn)生的尖刺。當(dāng)為一個預(yù)失真電路通電時，就可以看到鄰道尖刺的幅度大大減小。
通過一個類似想法的實驗，也可以看到預(yù)失真算法如何補償一個放大器的相位誤差。由于相位誤差是可預(yù)測和可重復(fù)的，算法就可以修改輸入波形的時序，以去除任何放大器的滯后。在時域中，可以想象成算法在快速轉(zhuǎn)換速率期間超前于信號，使得放大器最終輸出一個干凈的正弦波。在頻域中，鄰道尖刺也達(dá)到了可以接受的水平。
現(xiàn)在的預(yù)失真算法已足夠完備，甚至可以消除熱效應(yīng)帶來的失真。高低溫對功率晶體管造成的失真是不同的。可以開發(fā)出一種算法，預(yù)測輸出晶體管的功耗。從這個預(yù)測中，可以推斷出晶體管的溫度，然后對輸入作適當(dāng)調(diào)節(jié)，從而使輸出保持為線性。這個算法必須考慮到所用散熱器以及周圍環(huán)境的熱時間常數(shù)。
數(shù)字預(yù)失真還是模擬預(yù)失真?
過去幾年來，手機基站制造商已接受了用數(shù)字預(yù)失真做放大器線性化的方法(圖5與參考文獻(xiàn)5)。此時，要用一個單向耦合器對RF輸出做采樣。可以用一個混頻器，將千兆赫水平的信號下變頻到一個較低頻率。然后就可以用一個快速ADC對波形采樣。這些采樣被送至一片運行預(yù)失真算法的FPGA，用于修正輸入波形，還給出一個數(shù)字的數(shù)據(jù)流。然后，F(xiàn)PGA輸出RF基帶信號或I(索引)和Q(正交)信號，再上變頻至手機所在頻段的RF載波效率。
建立這一系統(tǒng)的方法有多種(參考文獻(xiàn)6)。通過采用獨立的ADC和下變頻芯片，可以針對需求優(yōu)化自己的系統(tǒng)，并使用可以從很多供應(yīng)商獲得的標(biāo)準(zhǔn)化部件。例如，Hittite、Analog Devices、德州儀器公司、凌力爾特公司以及Intersil公司(參考文獻(xiàn)7)都制造可用于分立數(shù)字預(yù)失真電路的硅芯片。
很多工程師都熟悉Altera公司的FPGA在數(shù)字領(lǐng)域的使用。該公司的MegaCore IP(智能產(chǎn)權(quán))可完成預(yù)失真的數(shù)字部分運算(參考文獻(xiàn)8)。Analog Devices公司與Altera公司合作，提供一種混合信號的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)板，而德州儀器公司提供GC5325這類發(fā)射處理器器件，以降低信號波峰系數(shù)，以及抵消功放的失真(圖6)。Xilinx公司為自己的Virtex-4和Virtex-5 FPGA提供一個數(shù)字預(yù)失真的參考設(shè)計。由于手機基站承載了較多的RF通道，空間就成為了一個問題。凌力爾特公司等的解決方法是將整個數(shù)字預(yù)失真電路集成為LTM9003微模塊(圖7)。
盡管手機基站制造商接受數(shù)字系統(tǒng)，但供應(yīng)商們在采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中做的主要是模擬電路，這帶來了成本、功耗和空間不利因素。替代方法是用模擬技術(shù)實現(xiàn)RF放大器的線性。例如，新興公司Scintera Networks將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了5W區(qū)間的小功率RF系統(tǒng)，還有UHF(超高頻)電視發(fā)射站的信號路徑(圖8)。這種方法會采樣驅(qū)動級的RF信號，使RF信號保持在模擬域中，但通過采用一種波形的Volterra Series擴展，對其作因數(shù)修正。Volterra Series是一種非線性性能的模型，類似于Taylor Series，不過Volterra Series可以表達(dá)記憶效應(yīng)。Scintera公司的方案會對RF輸出作采樣和數(shù)字化，采樣結(jié)果被送入該公司芯片中的數(shù)字電路。該設(shè)計用數(shù)字段計算出RF信號鏈的模擬因數(shù)，然后用另一個單向耦合器，將經(jīng)Volterra因數(shù)修正的RF信號混合回到RF路徑中。系統(tǒng)只需要在芯片中處理足夠的RF，就能校正放大器的失真。大多數(shù)RF功率都在主RF路徑內(nèi)，而繞過了IC。Scintera公司將RF保持在模擬域，提供了一個功耗遠(yuǎn)低于數(shù)字預(yù)失真方式的系統(tǒng)(圖9)。
要注意，數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的設(shè)計與測試都不是簡單的任務(wù)。你需要完備的RF設(shè)計工具，如AWR公司的Microwave Office以及Agilent公司的ADS(參考文獻(xiàn)9)。除了用先進(jìn)的測試設(shè)備確定RF路徑的特性以外，可能還需要購買和學(xué)習(xí)專用的測試設(shè)備，如一臺實時頻譜分析儀(參考文獻(xiàn)10)。
無論是采用模擬預(yù)失真還是數(shù)字預(yù)失真，都可以減少RF設(shè)計中的干擾，并使用先進(jìn)的調(diào)制方法。最重要的是，預(yù)失真可以將RF放大器驅(qū)動至接近飽和狀態(tài)，從而提高了功率效率。你可以用分立芯片自己搭建系統(tǒng)，
也可以使用封裝內(nèi)已集成所有功率的微模塊。在ADC以及下變頻IC中實現(xiàn)所需線性是半導(dǎo)體公司的一項成就。這些公司都有自己的應(yīng)用專家，可以幫助你設(shè)計出RF信號路徑，滿足所有的規(guī)范要求、減少功耗，并提供每兆赫茲最大位數(shù)。