無(wú)線設(shè)備行業(yè)竭力削減設(shè)備的成本、尺寸和功耗，而提升高功率放大器的功率附加效率(PAE)仍然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。目前有多種技術(shù)正在研發(fā)之中。大多數(shù)情況下，任何技術(shù)的商業(yè)化都將取決于能否開(kāi)發(fā)出突破性的技術(shù)。本文主要討論用來(lái)提高PAE的一些技術(shù)以及支持該技術(shù)的一些RF信號(hào)處理模塊。

峰均比

圖 1 所示為一個(gè) 20 MHz 帶寬正交頻分多路復(fù)用(OFDM)信號(hào)的時(shí)間包絡(luò)。該信號(hào)包括大量碼元速率相對(duì)較低的正交 QAM調(diào)制子載波。基于 OFDM 的無(wú)線傳輸正變得越來(lái)越流行，部分原因是低碼元速率的子載波對(duì)衰落相對(duì)不敏感。它目前用于無(wú)線LAN和 WiMax系統(tǒng)，將來(lái)也會(huì)用于下一代長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)移動(dòng)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音系統(tǒng)。高級(jí) OFDM 系統(tǒng)允許子載波的調(diào)制隨著工作和環(huán)境條件的改變而變化。例如，如果一個(gè)用戶位于小區(qū)的邊緣，系統(tǒng)可能決定用正交相移鍵控方法來(lái)調(diào)制子載波，這就需要相對(duì)較低的信噪比，才能成功進(jìn)行解調(diào)。其代價(jià)是數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低。另一方面，如果用戶靠近小區(qū)中心并需要高數(shù)據(jù)速率，則可以發(fā)射更高階調(diào)制子載波，從而帶來(lái)更高的數(shù)據(jù)速率。

圖 1. 20 MHz 帶寬正交頻分多路復(fù)用(OFDM)載波的時(shí)間包絡(luò)。

更高階 QAM 信號(hào)（如 64-QAM 和 128-QAM）具有高峰均比，而 OFDM 信號(hào)可以輕松包括 1024 個(gè)子載波，因此 OFDM 信號(hào)的峰均比也很高。圖 1 清楚地顯示了這一點(diǎn)。從圖 1 中還可以看到，該信號(hào)也有一些深谷。因此，雖然一般是討論峰均比，但稍后我們會(huì)看到，當(dāng)設(shè)計(jì)更高效率的功率放大器時(shí)，信號(hào)的峰值最小值比（可能達(dá)到 40 dB）也具有重要意義。

圖 2 顯示了一個(gè)功率放大系統(tǒng)的最基本框圖。提供給負(fù)載的電流由高功率放大器(HPA)電源（本例中為±4V）發(fā)出。有效值輸出信號(hào)具有有效值電平(VRMS)和峰值電平(VPEAK)。為獲得良好的信號(hào)保真度，輸出信號(hào)與電源之間必須存在足夠的裕量，使得信號(hào)波峰不會(huì)被削波。

圖 2.  高峰均比信號(hào)的功率放大

這一裕量要求導(dǎo)致該系統(tǒng)存在效率低下的弱點(diǎn)。如果信號(hào)具有高峰均比，則電源必須偏置以支持峰值電平，有效值而不是有效值電平。

假設(shè)輸出有效值有效值電平為 1Vrms，并且信號(hào)的峰均比為 4，即 12 dB。這意味著，信號(hào)的峰值為 4 V，峰到峰擺幅為 8 V。因此，系統(tǒng)的絕對(duì)最小電源電壓可能是±4 V（單電源系統(tǒng)則為8 V）。提供給負(fù)載的功率等于 20 mW (1 V x 1 V/50)，負(fù)載電流等于 20 mA。然而，電源提供的功率等于 80 mW (4 V x 20 mA)。因此，效率只有 25% (100 x (20 mW/80 mW))。

雖然上例并不能真正代表一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，但它確實(shí)說(shuō)明傳輸高峰均比信號(hào)自然會(huì)降低功率放大系統(tǒng)的效率。

漏極調(diào)制

圖 3 顯示了一個(gè)嘗試解決上述裕量問(wèn)題的替代功率放大方案。本例中，輸入信號(hào)分為兩部分。一部分信號(hào)是受限的，即放大到飽和狀態(tài)，但其相位信息保持不變。另一部分信號(hào)則施加于一個(gè)包絡(luò)檢波器，然后利用包絡(luò)檢波器的輸出來(lái)調(diào)制 PA 的電源，這樣可以確保 PA 的偏置電壓僅在需要時(shí)才變?yōu)楦唠妷?，從而顯著節(jié)省常備功率，提高電源效率。

圖 3.  包絡(luò)消除與恢復(fù)或漏極調(diào)制

這樣的系統(tǒng)通常稱為包絡(luò)消除與恢復(fù)(EER)或漏極調(diào)制（其中“漏極”指功率 FET 晶體管的漏極），要實(shí)現(xiàn)它并不容易，包絡(luò)路徑中存在非常艱巨的挑戰(zhàn)。對(duì)于帶寬為 20 MHz 的載波，其包絡(luò)帶寬也是 20 MHz。這意味著，為了避免相位延遲，包絡(luò)檢波器和 PA 電源的帶寬至少必須與 20 MHz 一樣快，可能需要比 20 MHz 快得多。對(duì)于需要提供數(shù)十或數(shù)百瓦功率的電源，其難度非常大。迄今為止，漏極調(diào)制主要用于帶寬只需數(shù)百 KHz 的窄帶系統(tǒng)，例如單載波 GSM-EDGE 手機(jī)傳輸?shù)取?/p>

包絡(luò)檢波技術(shù)的最新進(jìn)展有助于將這一架構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。圖 4 所示為 ADI 公司最近發(fā)布的 TruPWR™ RMS 和包絡(luò)檢波器ADL5511 的功能框圖。

ADL5511 通過(guò)一路 RF 輸入提供兩路獨(dú)立的輸出。VRMS 引腳的電壓相當(dāng)于輸入信號(hào)的 RMS 電壓（放大 3 倍）。VENV 引腳的電壓相當(dāng)于輸入信號(hào)的包絡(luò)。VENV 輸出參考 EREF 輸出提供的 1.1 V 固定電壓。讓包絡(luò)輸出電壓參考非零值可以確保凈包絡(luò)電壓(VENV-VEREF)的擺幅可以一直達(dá)到 0 V，并且失調(diào)電壓誤差非常低。

圖 4. ADL5511 功能框圖

ADL5511 支持-25 dBm 至+15 dBm 的輸入功率水平，即動(dòng)態(tài)范圍為 40 dB。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，RMS 和包絡(luò)輸出的精度為± 0.25 dB。該檢波器還能在 1 MHz 至 4 GHz 的寬輸入頻率范圍工作，而不需要外部巴倫或外部電抗性匹配。

通過(guò) ADL5511 的包絡(luò)延遲已降至小于 5 nS 的最低水平。因此，要傳輸?shù)男盘?hào)與漏極調(diào)制包絡(luò)能夠保持精密同步，而不需要使用長(zhǎng)延遲線。

除了漏極調(diào)制以外，PA 設(shè)計(jì)人員還可以利用 VRMS 和 VENV輸出及外部峰值保持運(yùn)放電路來(lái)計(jì)算輸入信號(hào)的峰均比。此外，也可以利用 ADI 公司內(nèi)置峰值保持電路的 RMS 和包絡(luò)檢波器 ADL5502 來(lái)測(cè)量峰均比。

圖 5. ADL5511 的包絡(luò)和 rms 響應(yīng)圖

圖5顯示了ADL5511的RMS和包絡(luò)輸出對(duì)單個(gè)寬帶碼分多址(WCDMA)載波的響應(yīng)。黃色實(shí)線表示 WCDMA 載波。藍(lán)色線表示器件的 VENV 輸出。碼片速率為 3.84 MHz，WCDMA 信號(hào)的載波帶寬也是 3.84 MHz。由于 ADL5511 包絡(luò)輸出的帶寬約為 80 MHz，因此 VENV 輸出能夠精確地追隨快速變化的包絡(luò)。此外，該檢波器的 40 dB 檢波范圍（適用于 RMS 和包絡(luò)兩路輸出）能夠確保捕捉到信號(hào)的峰值和谷值。

圖 5 還顯示了一條直線（粉紅色），有效值它表示輸入信號(hào)的有效值電壓（放大 1.5 倍）。該輸出信號(hào)由連接到 FLT4 引腳的RMS 均值電容(1 µF)進(jìn)行平均。雖然此電容大大延緩了有效值輸出的響應(yīng)時(shí)間，但它對(duì)包絡(luò)輸出的響應(yīng)無(wú)任何影響。

總結(jié)

通過(guò)提供快速包絡(luò)帶寬和 40 dB 的信號(hào)檢波范圍，ADL5511有助于實(shí)現(xiàn)全模擬漏極調(diào)制方案，即系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)快速開(kāi)關(guān)電源的包絡(luò)信號(hào)由經(jīng)調(diào)制的原始載波產(chǎn)生。在此類方案中，附加的RMS 輸出可以用于縮放最終輸出功率水平。

作者：Eamon Nash，RF 應(yīng)用工程師，ADI 公司