調(diào)諧MAX2009/MAX2010射頻預(yù)失真器以獲得最佳性能

像WCDMA這樣的線性調(diào)制方案允許更高的數(shù)據(jù)速率和每個載波的多個無線連接，但引入了高峰均比的載波信號。因此，放大器現(xiàn)在必須在很大程度上后退，以滿足相鄰?fù)ǖ佬孤┑南拗?。由于PA的后退越多，PA（功率放大器）的效率就越低，因此應(yīng)用線性化技術(shù)將最大效率與最小IM（互調(diào)）相結(jié)合。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了在優(yōu)化IC性能的同時調(diào)諧MAX2009/MAX2010模擬預(yù)失真器的不同技術(shù)。

介紹

像WCDMA這樣的線性調(diào)制方案允許更高的數(shù)據(jù)速率和每個載波的多個無線連接，但它們也引入了載波信號的高峰均比。與恒定包絡(luò)調(diào)制方案不同，在恒定包絡(luò)調(diào)制方案中，PA（功率放大器）可以驅(qū)動到壓縮狀態(tài)，現(xiàn)在放大器必須在很大程度上后退，以滿足相鄰?fù)ǖ佬孤┑南拗?。由于PA越后退，PA效率就越低，因此采用線性化技術(shù)將最大效率與最小IM（互調(diào)）相結(jié)合。

眾所周知的線性化技術(shù)，例如前饋（FFW）和數(shù)字預(yù)失真（DPD），價格昂貴，需要相當(dāng)大的空間。因此，需要一種使用很少組件且易于處理的方法。

與FFW或DPD相比，MAX2009/MAX2010模擬RF預(yù)失真器只需極少的外部元件，易于調(diào)整，并提供相當(dāng)多的線性化。

MAX2009/MAX2010依靠RF頻率的AM-AM和AM-PM曲線校正來改善IM3和ACPR性能。在內(nèi)部，芯片測量信號功率，并根據(jù)電流信號的幅度扭曲相位和增益預(yù)失真。雖然AM-AM和AM-PM校正依賴于無存儲器電路，但AB類放大器仍然可以受益于Maxim器件產(chǎn)生的負(fù)失真，并顯著提高性能。

與所有線性化技術(shù)一樣，良好的信號削波算法可以降低PA之前信號的峰均比（不超過EMV限值），有助于模擬預(yù)失真。將MAX2009/MAX2010與適當(dāng)?shù)男盘栂鞑ńY(jié)合使用是一個很好的組合。

一般預(yù)失真理論

給定正弦RF輸入信號，RF頻率下的放大器壓縮失真通常如圖1所示。預(yù)失真器使輸入信號失真，以抵消放大器增加的失真。結(jié)果是凈線性傳遞函數(shù)。

圖1.幅度失真?zhèn)鬟f函數(shù)。

相位失真的工作方式大致相同。大多數(shù)放大器傾向于隨著幅度的增加而延遲輸入信號。這意味著輸出信號的相位隨著幅度的增加而減小。預(yù)失真的相位部分通過減少延遲作為幅度的函數(shù)來做相反的事情。最終結(jié)果是一個恒定延遲傳遞函數(shù)。

圖2.相位失真?zhèn)鬟f函數(shù)。

前面的數(shù)字顯示了瞬時V在/V外特性。對于RF放大器來說，即使不是不可能，也很難獲得這一點(diǎn)。在給定無存儲器系統(tǒng)的情況下，只需繪制AM-AM和AM-PM圖，就可以完全表征放大器的非線性行為。AM-AM和AM-PM圖的示例如圖3所示。輸入信號為單頻;X軸是輸入功率;AM-AM和AM-PM圖分別顯示了增益的大小和相位。請注意，相位壓縮在幅度壓縮發(fā)生之前開始。這對于選擇合適的模擬預(yù)失真方法非常重要。

圖3.上午-上午和上午-下午圖。

每個實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的放大器都顯示出一定程度的非線性，這可以用泰勒展開表示的非線性傳遞函數(shù)來描述：

VOUT = K0 + K1VIN + K2VIN2 + K3VIN3 + ... + KNVINN

偶數(shù)常數(shù)產(chǎn)生的諧波遠(yuǎn)離基波，因此微不足道。此外，產(chǎn)品的大小隨著階數(shù)的增加而減小。因此，在大多數(shù)情況下，僅使用三階和五階乘積就可以以足夠的精度描述實(shí)用的非線性放大器。根據(jù)所需的線性化量，在某些情況下，高階產(chǎn)品可能變得很重要。更高的 K3， K5...變得，放大器的非線性程度越高。這導(dǎo)致AM-AM和AM-PM曲線越來越偏離理想的直線。任何類型的放大器預(yù)失真的目標(biāo)都是盡可能改善系統(tǒng)的AM-AM和AM-PM行為，從而最大限度地減少不需要的互調(diào)產(chǎn)物。

如何準(zhǔn)備預(yù)失真的放大器

MAX2009/MAX2010的一般功能是擴(kuò)展相位和增益，以補(bǔ)償放大器的相位和增益壓縮。這個過程對應(yīng)于線性映射，其中功率晶體管壓縮曲線的每個點(diǎn)都被賦予一個相位和增益校正值。實(shí)際上，放大器在一定程度上受到記憶效應(yīng)的影響。與每個半導(dǎo)體元件一樣，功率晶體管的特性隨溫度而變化。由于功率放大器的效率有限，大部分功率將轉(zhuǎn)化為熱量。這是在幾個不同的時間常數(shù)下發(fā)生的。加熱整個放大器可能需要幾分鐘;加熱晶體管封裝可能需要幾秒鐘，但加熱LDMOS通道的時間常數(shù)在微秒范圍內(nèi)。1因此，如果信號的包絡(luò)功率變化非常快，例如，與WCDMA一樣，有源通道的溫度將不會保持不變，而是隨著調(diào)制而變化。這會導(dǎo)致記憶效應(yīng)。簡單地說，放大器在壓縮曲線上下驅(qū)動時表現(xiàn)不同，因?yàn)閺姆逯迪蛳买?qū)動時，其通道溫度更高。對于CMDA信號，這可能會影響以下多個數(shù)據(jù)芯片，這意味著大量的EVM和互調(diào)產(chǎn)物。

管理記憶效應(yīng)

記憶效應(yīng)可以用不同的方式顯示（圖4）。最直接的方法是使用量身定制的CDMA代碼，使平均功率較低，并且兩個連續(xù)的高峰值具有相同的峰值功率。如果放大器的解調(diào)輸出信號顯示不同的峰值幅度，則表明記憶效應(yīng)。

圖4.記憶效應(yīng)。

識別放大器存儲器效應(yīng)的更常用方法是測量輸出頻譜。IM 邊帶不相等表示放大器內(nèi)存效應(yīng)（圖 5）。

圖5.顯示記憶效應(yīng)的放大器輸出頻譜。

無存儲器模擬預(yù)失真器只能改善失真的非存儲器部分，因此必須對放大器進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最小的存儲器效應(yīng)。

存儲器效應(yīng)有多種來源，并非所有來源都受到電路設(shè)計人員的影響。設(shè)計人員無法最大程度地減少LDMOS通道的發(fā)熱，但適當(dāng)冷卻包括所有驅(qū)動器的有源器件是有幫助的。

其他記憶效應(yīng)來源可以通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計來減輕。在調(diào)制帶寬范圍內(nèi)的頻率下，必須很好地阻斷電源，以避免由于載波調(diào)制引起的電源電壓變化。

當(dāng)針對最大增益進(jìn)行優(yōu)化時，輸入偏置匹配通常針對高阻抗進(jìn)行優(yōu)化，但這會使非線性柵極電容產(chǎn)生最大的影響。如果匹配略有失諧，放大器增益可能會降低幾分之一dB。但是，這可以大大減少記憶效應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)2已經(jīng)表明，如果放大器在比信號帶寬寬更寬的頻率范圍內(nèi)針對平坦傳輸特性進(jìn)行優(yōu)化，則可以降低記憶效應(yīng)。使用市售PA測試板測試MAX2009時，可能很難改變電路板的偏置電路。在這種情況下，以不同于優(yōu)化頻率的頻率操作電路板會很有幫助?；蛘?，在放大器帶寬內(nèi)嘗試不同的頻率。如果IM邊帶在不同的頻率下看起來不同，則電路設(shè)計不當(dāng)會導(dǎo)致內(nèi)存效應(yīng)。如果在不同頻率下可能的IM改進(jìn)量不同，則匹配并不理想，并且還有很大的改進(jìn)空間。

最后，驅(qū)動進(jìn)入最終放大器級的驅(qū)動器級的輸出阻抗有其自身的影響。如果使用市售的驅(qū)動放大器EV（評估）板，如果在50Ω負(fù)載下測量，該板可能針對高增益和效率進(jìn)行了優(yōu)化。在所需頻率下，電路板的輸出阻抗可能與“實(shí)際”50Ω或多或少不同。因此，值得使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量驅(qū)動器的輸出阻抗，然后嘗試通過添加并聯(lián)電容器或電感來最小化輸出電抗。在某些情況下，這增強(qiáng)了預(yù)失真器可實(shí)現(xiàn)的IM改善量。誠然，這是一種相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的方法。然而，在大多數(shù)情況下，無法正確確定下一個最終放大器級的輸入阻抗，因?yàn)樗璧妮斎牍β侍?，無法在實(shí)際條件下執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量。

AB類放大器的預(yù)失真

在當(dāng)前大多數(shù)采用非恒定包絡(luò)調(diào)制方案的應(yīng)用中，例如WCDMA，之所以使用AB類放大器，是因?yàn)樗鼈儗⒈華類高得多的效率與合理的線性度相結(jié)合。

圖6、圖7和圖8顯示了帶有LDMOS驅(qū)動放大器的AB類LDMOS PA的輸出頻譜示例。MAX2009的模擬預(yù)失真降低了ACPR和IM3。

圖6.輸出頻譜在 P外= 19W（摩托羅拉MW41C2230和MRF21085）。?

測量條件（測量設(shè)置如圖9所示）：
雙載波WCDMA信號，3.84Mcps （3GPP）
PB_IN* = 1.46V
PF_S1/2* = 4.1V
PD_CS1* = 5V
PD_CS2* = 0V

*參見MAX2009/MAX2010數(shù)據(jù)資料，了解不同控制方式的說明 電壓。

圖7.輸出頻譜在 P外= 38W（摩托羅拉MW41C2230和MRF5P21180）。

測量條件（測量設(shè)置如圖9所示）：
雙載波WCDMA信號，3.84Mcps（3GPP）
PB_IN = 1.52V
PF_S1/2 = 4.9V
PD_CS1 = 0V
PD_CS2 = 0V

圖8.P時單載波的輸出頻譜外= 19W（摩托羅拉 21085）。

測量條件（測量設(shè)置如圖9所示）：
單載波WCDMA信號，3.84Mcps （3GPP）
PB_IN = 1.6V
PF_S1/2 = 5.0V
PD_CS1 = 5V
PD_CS2 = 0V

圖9顯示了這些實(shí)驗(yàn)中使用的典型測量設(shè)置。

圖9.典型測量設(shè)置， 注意ACPR值不包括MAX2009的失真，PB_IN設(shè)置為5V可將失真降至最低。

如何正確調(diào)整MAX2009/MAX2010

本文所述的MAX2009/MAX2010調(diào)整方法不是唯一可能的方法，但事實(shí)證明它非?？焖伲梢援a(chǎn)生最佳結(jié)果。

第 1 步：將預(yù)失真器插入您的陣容中。目標(biāo)是在相位部分的平均輸入功率在8dBm和12dBm之間，以獲得10dB峰均信號。僅連接階段部分。將PB_IN = 5V設(shè)置為有效關(guān)閉相位擴(kuò)展。在預(yù)失真器之后調(diào)整增益/衰減，以從PA獲得正確的輸出功率。

第 2 步：測量進(jìn)入主 PA 的 ACPR。它應(yīng)該比您試圖通過預(yù)失真實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) ACPR 至少好 3dB。

步驟3：對于標(biāo)稱斜率設(shè)置（PD_CS1 = 0V;PD_CS2 = 5V;PF_S1 = 5V），慢慢調(diào)低PB_IN。將頻譜分析儀設(shè)置為快速掃描和低平均（即平均 = 4）。降低PB_IN會增加預(yù)失真器產(chǎn)生的失真。調(diào)整PB_IN以獲得最佳性能。如果未看到性能改進(jìn)，則在性能開始下降的點(diǎn)保留PB_IN。

如果沒有性能降低或改善的PB_IN值，則預(yù)失真器的平均輸入功率太低。預(yù)失真器不能產(chǎn)生足夠高的失真水平。如果在PB_IN = 5V時ACPR下降，則預(yù)失真器的平均輸入功率過高。

第 4 步：微調(diào)PF_S1和PB_IN以獲得最佳性能。PF_S1變?nèi)?a target="_blank">二極管偏置，可以超過5V。調(diào)整控件以從上限和下邊帶獲得相同的 IM3/ACPR 性能。

如果使用PF_S1 > 5V獲得最佳性能，則將PD_CS2更改為0V。這應(yīng)該使最佳PF_S1電壓在5V范圍內(nèi)。

如果PF_S1 <0.5V獲得最佳性能，則PD_CS1更改為5V。這應(yīng)該使最佳PF_S1電壓大于0.5V。不希望具有低PF_S1電壓，因?yàn)镽F信號可以打開變?nèi)荻O管。這會顯著降低性能。

第 5 步：調(diào)整 PA 的直流偏置電壓，以進(jìn)一步提高性能和效率。改變偏置電壓往往會改變下/上邊帶功率差以及相位差。這是獲得最佳性能的非常重要的步驟。

步驟6：重復(fù)步驟4和5，直到?jīng)]有進(jìn)一步的改進(jìn)。

相位部分表現(xiàn)出一些寄生增益擴(kuò)展，這取決于輸入功率。這種寄生行為可能是有益的，并且可以提供一些額外的改進(jìn)。一旦為初始配置找到了最佳調(diào)諧，就值得嘗試不同的平均輸入功率，看看是否可以實(shí)現(xiàn)更好的改進(jìn)。但是，必須注意確保平均輸入功率的變化不會降低所有預(yù)驅(qū)動器產(chǎn)生的ACPR/IM3。

放大器的自發(fā)熱會改變性能。一旦放大器的溫度穩(wěn)定下來，一定要調(diào)諧放大器。

如果沒有獲得改善或只是為了檢查預(yù)失真的結(jié)果，則應(yīng)測量放大器的壓縮行為。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)樵鲆鎾呙璧膬蓚€連續(xù)測量點(diǎn)之間的時間太長。通過如此緩慢的測量，放大器有足夠的時間來適應(yīng)新的功率電平。實(shí)際上，由于調(diào)制的包絡(luò)，功率電平變化很快。為了表征放大器在實(shí)際工作條件下的失真，必須使用激勵信號來測量失真，這些激勵信號顯示峰均比和類似于所需調(diào)制方案的帶寬。一個名為AMPTUNE的軟件包，可從羅德與施瓦茨獲得，3允許在實(shí)際工作條件下對PA進(jìn)行壓縮測量。

圖10所示為使用MAX2009預(yù)失真器在預(yù)失真前后輸出功率電平為38W時180W LDMOS晶體管的AM-PM行為。在這種情況下，應(yīng)用是WCDMA，因此使用峰均比為10dB的5MHz寬噪聲信號作為激勵。

圖 10.使用 AMPTUNE 軟件進(jìn)行相位壓縮測量。3

請注意，軟件程序顯示壓縮曲線以及計算出的擴(kuò)展，這對于線性化放大器是必要的。

其它使用MAX2009/MAX2010的示例

MAX2009/MAX2010根據(jù)信號幅度擴(kuò)展相位和增益，以補(bǔ)償放大器的壓縮。這不一定必須在系統(tǒng)的末端頻率進(jìn)行，但也可以在IF級中完成。因此，這種方法將MAX2009/MAX2010應(yīng)用的范圍從器件的0.1GHz擴(kuò)展到2.5GHz，用于衛(wèi)星通信等其他領(lǐng)域（圖11）。

圖 11.MAX2009/MAX2010在IF級的預(yù)置。