資料介紹
發(fā)明可以開啟未曾預(yù)料的機(jī)會大門。1947年,三位AT&T公司的研究人員開發(fā)出了晶體管,作為經(jīng)常有問題、可靠性不高的真空管的替代品。他 們不知道他們的工作無意中形成了現(xiàn)代電子的基礎(chǔ),并最終促進(jìn)了集成電路的發(fā)展。與晶體管一樣,互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)初是為特定應(yīng)用開發(fā)的,然后逐步演進(jìn)?;ヂ?lián)網(wǎng)是在冷 戰(zhàn)時(shí)期創(chuàng)建的,主要目的是在無線電和電話發(fā)生故障時(shí)用作點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信的一個手段。時(shí)至今日,我們已經(jīng)無法想像沒有互聯(lián)網(wǎng)的世界會是怎樣一番景象。
1936年,貝爾電話技術(shù)公司的William H.Doherty發(fā)表了一篇題為《用于調(diào)制波的新型高效功放》的論文。這篇論文詳細(xì)介紹了可以提高射頻功放效率的一種解決方案——即現(xiàn)在大家都知道的Doherty功率放大器。雖然Doherty放大器創(chuàng)建之初是用于寬帶無線電發(fā)射機(jī)的,但就像許多偉大的發(fā)明一樣,在預(yù)料之外的舞臺上也大放異彩。
Doherty 肯定從未預(yù)料到,隨著WCDMA和LTE網(wǎng)絡(luò)的興起,他的放大器能夠這么快地得到普及。在過去幾年中,Doherty放大器很明顯主導(dǎo)了無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備 市場,這得歸功于這種放大器的架構(gòu)能夠適應(yīng)很高的峰均比(PAR)。隨著無線領(lǐng)域中幅度調(diào)制的采用以及全球LTE的普及,峰均比可達(dá)9dB左右。 Doherty結(jié)構(gòu)使用負(fù)載調(diào)制技術(shù),可以在回退條件下取得很高的效率?;赝诵适欠糯驦TE信號的功放模塊總體系統(tǒng)效率高的關(guān)鍵。大多數(shù)無線基站實(shí)現(xiàn) Doherty架構(gòu)的目的就是提高功放效率,特別是在采用幅度調(diào)制的時(shí)候。
雖然如今Doherty功放在無線基礎(chǔ)設(shè)施市場得到了廣泛應(yīng)用,但其它市場和應(yīng)用一直在避免使用Doherty結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)镈oherty放大器優(yōu)化比較困難。了解到Doherty優(yōu)化方面的挑戰(zhàn),Peregrine半導(dǎo)體公司開發(fā)了一種解決方案——種單片射頻控制器,它能通過數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)相位和幅度的校準(zhǔn)。這種單片射頻控制器稱為UltraCMOSMPAC(單片相位與幅度控制器),可以降低Doherty放大器優(yōu)化的難度,使其更加簡單和容易使用。MPAC(圖1)使得Doherty放大器可以擴(kuò)展應(yīng)用到無線基礎(chǔ)設(shè)施市場之外,進(jìn)入更多的射頻應(yīng)用領(lǐng)域。
圖1:UltraCMOS MPAC(單片相位與幅度控制器)可以通過數(shù)字接口完成Doherty放大器的載波和峰值路徑之間的相位與幅度校準(zhǔn)。
Doherty放大器結(jié)構(gòu)
在詳細(xì)了解Doherty優(yōu)化挑戰(zhàn)和Peregrine公司的MPAC產(chǎn)品之 前,讓我們先看看Doherty放大器巧妙的設(shè)計(jì)。它采用了一種由兩個放大器組成的雙路徑架構(gòu),即一個載波放大器,一個峰值放大器,如圖2所示。 Doherty的兩個放大器路徑可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)架構(gòu)更高的效率增益。載波放大器是專門為載波信號設(shè)計(jì)的AB類放大器。峰值放大器是專門針對信號中的高峰值 優(yōu)化了的C類放大器。信號從主射頻輸入端進(jìn)入,接著分成0度和90度相位,經(jīng)過放大器內(nèi)的載波和峰值路徑后,最后再組合起來形成輸出信號。本質(zhì)上是通過管 理相位和幅度實(shí)現(xiàn)了更高的效率。
圖2:Doherty功放采用了由一個AB類載波放大器和一個C類峰值放大器組成的雙路徑架構(gòu)。
這種架構(gòu)有一個輸出組合網(wǎng)絡(luò),允許載波放大器看到更高的阻抗,從而在回退條件下可以經(jīng)歷更高的電壓擺幅。通過在這些條件下向載波放大器顯示更高的阻抗,載波 放大器可以使用可用的電壓余量,工作時(shí)可更接近飽和。Doherty放大器還能在回退條件下保持C類峰值放大器處于關(guān)斷狀態(tài)。隨著功率開始向峰值功率轉(zhuǎn) 變,峰值放大器開始導(dǎo)通,輸出Doherty網(wǎng)絡(luò)開始經(jīng)歷負(fù)載調(diào)制。載波放大器隨即見到比在后退狀態(tài)下呈現(xiàn)的高阻抗更低的阻抗。
在 Doherty結(jié)構(gòu)中,有多個元件使得放大器同時(shí)具有頻率和制造敏感特性。輸出負(fù)載匹配變壓器是一個四分之一波傳輸線段,具有35Ω的特征阻抗。載波放大 器和峰值放大器之間的阻抗反轉(zhuǎn)器是另一個四分之一波傳輸線段,具有50Ω的特征阻抗。這些變壓器都對頻率敏感,并與峰值和載波放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接在 一起。另外,用于優(yōu)化每個放大器輸出端阻抗的偏置線也具有頻率敏感特性。
當(dāng)Doherty是針對比如9dB的高峰均比值設(shè)計(jì)時(shí),一般使用不對稱的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中,峰值放大器比載波放大器更大。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的非對稱性Doherty實(shí)現(xiàn),輸入驅(qū)動強(qiáng)度的控制和相位平衡變得尤其重要。
Doherty放大器優(yōu)化挑戰(zhàn)
任何接受過為無線基站發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)Doherty功率放大器(PA)任務(wù)的人都可以證明挑戰(zhàn)來自于Doherty放大器的優(yōu)化。表現(xiàn)為制造和頻率敏感性,每個 模塊的人工調(diào)整,分立元件及它們自身的差異,更不用說優(yōu)化后靈活性的缺乏了。對工程師來說,這是一種非常耗時(shí)的挑戰(zhàn),而時(shí)間本身也是一種投資成本。
Doherty 架構(gòu)的載波和峰值路徑之間相位與幅度的任何失配或不重合都將很快導(dǎo)致更高的成本和總體性能的劣化。如果載波放大器和峰值放大器沒有處于同步狀態(tài),那么最終 輸出將達(dá)不到設(shè)計(jì)的輸出性能。今天,大多數(shù)宏蜂窩射頻工程師通過使用分立元件調(diào)整每條載波和峰值路徑的相位與幅度來管理這種復(fù)雜性。但分立元件本身就具有 制造差異。例如,0402或0603表貼元件很容易改變,特別是較低容量的電容。即使工程師使用基于某類傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò),電容值的變化也可能高達(dá) 20%,對于任何微帶層來說都是這樣。隨著工程師為了更高帶寬而優(yōu)化放大器,這些差異將侵吞余量,并使得Doherty功放更容易受制造變化的影響,因?yàn)?它天生具有頻率敏感性。
使用分立元件是一種成熟的方法,它能使材料清單(BOM)的成本降低。但另一方面,這種方法需要實(shí)實(shí) 在在的工程時(shí)間和專業(yè)知識,因?yàn)閮?yōu)化是人工作業(yè),而且工作量很大。工程師必須確定分立元件的值,以及如何將它們放到電路板上去。另外,一旦分立元件安裝在 電路板上,就沒有靈活性了,無法為未預(yù)料到的功率晶體管變化做出改變。射頻工程師也將無法進(jìn)一步優(yōu)化相位和幅度。
Peregrine公司的單片射頻控制器——UltraCMOS MPAC
2014年6 月,Peregrine公司推出了業(yè)界首個單片射頻解決方案MPAC,用于優(yōu)化Doherty功放的性能。基于Peregrine公司UltraCMOS 技術(shù)構(gòu)建的MPAC能夠獨(dú)立地調(diào)整載波和峰值路徑上的相位和幅度。這種單芯片系統(tǒng)集成了1個數(shù)字串行外設(shè)接口(SPI)、2個移相器、2個數(shù)字分級衰減器 和1個90度分離器(避免了采用分立元件)。針對每個不同的路徑,MPAC向工程師提供了調(diào)整相位和幅度的最大靈活性,允許他們通過SPI接口調(diào)整載波和 峰值路徑。
MPAC取消了多種分立元件,可以幫助無線基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商提高系統(tǒng)性能、降低成本、提高總體產(chǎn)品可靠性,并為基于LDMOS(橫向擴(kuò)散的金屬氧化物半導(dǎo)體)或GaN(氮化鎵)的Doherty功放提供最大的調(diào)整靈活性。
利用每個路徑87.2°的寬相移范圍和2.8°的精細(xì)步距,MPAC可以提供65dBm IIP3的高線性度和300μA的超低功耗。另外,它支持31dBm的峰值輸入射頻功率,并具有30dB的高端口到端口隔離度。借助2.8o最低有效位 (LSB)的5位代碼掃描功能,MPAC的單路徑相對相位具有很好的精度,并能在整個射頻頻率范圍內(nèi)保持單調(diào)變化特性,如圖3所示。
圖3:MPAC的單路徑相對相位在整個射頻頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的單一趨勢。
由于MPAC是在UltraCMOS單片裸片上創(chuàng)建的,射頻工程師可以自信地信任UltraCMOS工藝的均勻性和制造可靠性。只有UltraCMOS技術(shù) 能夠支持智能集成——這是GaAs技術(shù)永遠(yuǎn)無法企及的。如果類似MPAC的解決方案采用任何其它技術(shù),如GaAs,結(jié)果將是由無數(shù)綁定線連接在一起的多芯 片模塊。另外,UltraCMOS技術(shù)具有1kV的卓越靜電放電性能,高達(dá)105℃的擴(kuò)展溫度范圍,以及從2.7V~5.5V的寬電源范圍。
PE46120是MPAC系列中的首款產(chǎn)品(圖4),其覆蓋的頻率范圍是從1.8GHz到2.2GHz。MPAC產(chǎn)品系列計(jì)劃覆蓋所有蜂窩頻段。
圖4:PE46120目前正在向選定客戶提供樣品,是MPAC系列中的首款產(chǎn)品。
本文小結(jié)
雖然本文主要討論的是將MPAC用于Doherty放大器,但值得注意的是,MPAC也可以用于優(yōu)化其它雙路徑、動態(tài)負(fù)載調(diào)制的放大器架構(gòu)性能,如LINC 和Chireix放大器。另外,MPAC還可以用于前饋放大器、波束成型網(wǎng)絡(luò)和雙路極化校準(zhǔn)/產(chǎn)生應(yīng)用中的矢量產(chǎn)生目的。
總之,Peregrine公司的UltraCMOS MPAC有效地解決了工程師在Doherty功放優(yōu)化時(shí)普遍面臨的挑戰(zhàn)。借助MPAC的強(qiáng)大功能,工程師不必再去人工調(diào)整每個模塊、使用多個分立元件進(jìn)行 設(shè)計(jì),從而解決了不靈活的設(shè)計(jì)問題。MPAC有助于實(shí)現(xiàn)一個簡單易用的Doherty放大器——一個除了無線基礎(chǔ)設(shè)施市場以外還能用于其它未曾預(yù)料到的市 場和機(jī)會的放大器。
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1936年,貝爾電話技術(shù)公司的William H.Doherty發(fā)表了一篇題為《用于調(diào)制波的新型高效功放》的論文。這篇論文詳細(xì)介紹了可以提高射頻功放效率的一種解決方案——即現(xiàn)在大家都知道的Doherty功率放大器。雖然Doherty放大器創(chuàng)建之初是用于寬帶無線電發(fā)射機(jī)的,但就像許多偉大的發(fā)明一樣,在預(yù)料之外的舞臺上也大放異彩。
Doherty 肯定從未預(yù)料到,隨著WCDMA和LTE網(wǎng)絡(luò)的興起,他的放大器能夠這么快地得到普及。在過去幾年中,Doherty放大器很明顯主導(dǎo)了無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備 市場,這得歸功于這種放大器的架構(gòu)能夠適應(yīng)很高的峰均比(PAR)。隨著無線領(lǐng)域中幅度調(diào)制的采用以及全球LTE的普及,峰均比可達(dá)9dB左右。 Doherty結(jié)構(gòu)使用負(fù)載調(diào)制技術(shù),可以在回退條件下取得很高的效率?;赝诵适欠糯驦TE信號的功放模塊總體系統(tǒng)效率高的關(guān)鍵。大多數(shù)無線基站實(shí)現(xiàn) Doherty架構(gòu)的目的就是提高功放效率,特別是在采用幅度調(diào)制的時(shí)候。
雖然如今Doherty功放在無線基礎(chǔ)設(shè)施市場得到了廣泛應(yīng)用,但其它市場和應(yīng)用一直在避免使用Doherty結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)镈oherty放大器優(yōu)化比較困難。了解到Doherty優(yōu)化方面的挑戰(zhàn),Peregrine半導(dǎo)體公司開發(fā)了一種解決方案——種單片射頻控制器,它能通過數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)相位和幅度的校準(zhǔn)。這種單片射頻控制器稱為UltraCMOSMPAC(單片相位與幅度控制器),可以降低Doherty放大器優(yōu)化的難度,使其更加簡單和容易使用。MPAC(圖1)使得Doherty放大器可以擴(kuò)展應(yīng)用到無線基礎(chǔ)設(shè)施市場之外,進(jìn)入更多的射頻應(yīng)用領(lǐng)域。
圖1:UltraCMOS MPAC(單片相位與幅度控制器)可以通過數(shù)字接口完成Doherty放大器的載波和峰值路徑之間的相位與幅度校準(zhǔn)。
Doherty放大器結(jié)構(gòu)
在詳細(xì)了解Doherty優(yōu)化挑戰(zhàn)和Peregrine公司的MPAC產(chǎn)品之 前,讓我們先看看Doherty放大器巧妙的設(shè)計(jì)。它采用了一種由兩個放大器組成的雙路徑架構(gòu),即一個載波放大器,一個峰值放大器,如圖2所示。 Doherty的兩個放大器路徑可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)架構(gòu)更高的效率增益。載波放大器是專門為載波信號設(shè)計(jì)的AB類放大器。峰值放大器是專門針對信號中的高峰值 優(yōu)化了的C類放大器。信號從主射頻輸入端進(jìn)入,接著分成0度和90度相位,經(jīng)過放大器內(nèi)的載波和峰值路徑后,最后再組合起來形成輸出信號。本質(zhì)上是通過管 理相位和幅度實(shí)現(xiàn)了更高的效率。
圖2:Doherty功放采用了由一個AB類載波放大器和一個C類峰值放大器組成的雙路徑架構(gòu)。
這種架構(gòu)有一個輸出組合網(wǎng)絡(luò),允許載波放大器看到更高的阻抗,從而在回退條件下可以經(jīng)歷更高的電壓擺幅。通過在這些條件下向載波放大器顯示更高的阻抗,載波 放大器可以使用可用的電壓余量,工作時(shí)可更接近飽和。Doherty放大器還能在回退條件下保持C類峰值放大器處于關(guān)斷狀態(tài)。隨著功率開始向峰值功率轉(zhuǎn) 變,峰值放大器開始導(dǎo)通,輸出Doherty網(wǎng)絡(luò)開始經(jīng)歷負(fù)載調(diào)制。載波放大器隨即見到比在后退狀態(tài)下呈現(xiàn)的高阻抗更低的阻抗。
在 Doherty結(jié)構(gòu)中,有多個元件使得放大器同時(shí)具有頻率和制造敏感特性。輸出負(fù)載匹配變壓器是一個四分之一波傳輸線段,具有35Ω的特征阻抗。載波放大 器和峰值放大器之間的阻抗反轉(zhuǎn)器是另一個四分之一波傳輸線段,具有50Ω的特征阻抗。這些變壓器都對頻率敏感,并與峰值和載波放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接在 一起。另外,用于優(yōu)化每個放大器輸出端阻抗的偏置線也具有頻率敏感特性。
當(dāng)Doherty是針對比如9dB的高峰均比值設(shè)計(jì)時(shí),一般使用不對稱的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中,峰值放大器比載波放大器更大。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的非對稱性Doherty實(shí)現(xiàn),輸入驅(qū)動強(qiáng)度的控制和相位平衡變得尤其重要。
Doherty放大器優(yōu)化挑戰(zhàn)
任何接受過為無線基站發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)Doherty功率放大器(PA)任務(wù)的人都可以證明挑戰(zhàn)來自于Doherty放大器的優(yōu)化。表現(xiàn)為制造和頻率敏感性,每個 模塊的人工調(diào)整,分立元件及它們自身的差異,更不用說優(yōu)化后靈活性的缺乏了。對工程師來說,這是一種非常耗時(shí)的挑戰(zhàn),而時(shí)間本身也是一種投資成本。
Doherty 架構(gòu)的載波和峰值路徑之間相位與幅度的任何失配或不重合都將很快導(dǎo)致更高的成本和總體性能的劣化。如果載波放大器和峰值放大器沒有處于同步狀態(tài),那么最終 輸出將達(dá)不到設(shè)計(jì)的輸出性能。今天,大多數(shù)宏蜂窩射頻工程師通過使用分立元件調(diào)整每條載波和峰值路徑的相位與幅度來管理這種復(fù)雜性。但分立元件本身就具有 制造差異。例如,0402或0603表貼元件很容易改變,特別是較低容量的電容。即使工程師使用基于某類傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò),電容值的變化也可能高達(dá) 20%,對于任何微帶層來說都是這樣。隨著工程師為了更高帶寬而優(yōu)化放大器,這些差異將侵吞余量,并使得Doherty功放更容易受制造變化的影響,因?yàn)?它天生具有頻率敏感性。
使用分立元件是一種成熟的方法,它能使材料清單(BOM)的成本降低。但另一方面,這種方法需要實(shí)實(shí) 在在的工程時(shí)間和專業(yè)知識,因?yàn)閮?yōu)化是人工作業(yè),而且工作量很大。工程師必須確定分立元件的值,以及如何將它們放到電路板上去。另外,一旦分立元件安裝在 電路板上,就沒有靈活性了,無法為未預(yù)料到的功率晶體管變化做出改變。射頻工程師也將無法進(jìn)一步優(yōu)化相位和幅度。
Peregrine公司的單片射頻控制器——UltraCMOS MPAC
2014年6 月,Peregrine公司推出了業(yè)界首個單片射頻解決方案MPAC,用于優(yōu)化Doherty功放的性能。基于Peregrine公司UltraCMOS 技術(shù)構(gòu)建的MPAC能夠獨(dú)立地調(diào)整載波和峰值路徑上的相位和幅度。這種單芯片系統(tǒng)集成了1個數(shù)字串行外設(shè)接口(SPI)、2個移相器、2個數(shù)字分級衰減器 和1個90度分離器(避免了采用分立元件)。針對每個不同的路徑,MPAC向工程師提供了調(diào)整相位和幅度的最大靈活性,允許他們通過SPI接口調(diào)整載波和 峰值路徑。
MPAC取消了多種分立元件,可以幫助無線基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商提高系統(tǒng)性能、降低成本、提高總體產(chǎn)品可靠性,并為基于LDMOS(橫向擴(kuò)散的金屬氧化物半導(dǎo)體)或GaN(氮化鎵)的Doherty功放提供最大的調(diào)整靈活性。
利用每個路徑87.2°的寬相移范圍和2.8°的精細(xì)步距,MPAC可以提供65dBm IIP3的高線性度和300μA的超低功耗。另外,它支持31dBm的峰值輸入射頻功率,并具有30dB的高端口到端口隔離度。借助2.8o最低有效位 (LSB)的5位代碼掃描功能,MPAC的單路徑相對相位具有很好的精度,并能在整個射頻頻率范圍內(nèi)保持單調(diào)變化特性,如圖3所示。
圖3:MPAC的單路徑相對相位在整個射頻頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的單一趨勢。
由于MPAC是在UltraCMOS單片裸片上創(chuàng)建的,射頻工程師可以自信地信任UltraCMOS工藝的均勻性和制造可靠性。只有UltraCMOS技術(shù) 能夠支持智能集成——這是GaAs技術(shù)永遠(yuǎn)無法企及的。如果類似MPAC的解決方案采用任何其它技術(shù),如GaAs,結(jié)果將是由無數(shù)綁定線連接在一起的多芯 片模塊。另外,UltraCMOS技術(shù)具有1kV的卓越靜電放電性能,高達(dá)105℃的擴(kuò)展溫度范圍,以及從2.7V~5.5V的寬電源范圍。
PE46120是MPAC系列中的首款產(chǎn)品(圖4),其覆蓋的頻率范圍是從1.8GHz到2.2GHz。MPAC產(chǎn)品系列計(jì)劃覆蓋所有蜂窩頻段。
圖4:PE46120目前正在向選定客戶提供樣品,是MPAC系列中的首款產(chǎn)品。
本文小結(jié)
雖然本文主要討論的是將MPAC用于Doherty放大器,但值得注意的是,MPAC也可以用于優(yōu)化其它雙路徑、動態(tài)負(fù)載調(diào)制的放大器架構(gòu)性能,如LINC 和Chireix放大器。另外,MPAC還可以用于前饋放大器、波束成型網(wǎng)絡(luò)和雙路極化校準(zhǔn)/產(chǎn)生應(yīng)用中的矢量產(chǎn)生目的。
總之,Peregrine公司的UltraCMOS MPAC有效地解決了工程師在Doherty功放優(yōu)化時(shí)普遍面臨的挑戰(zhàn)。借助MPAC的強(qiáng)大功能,工程師不必再去人工調(diào)整每個模塊、使用多個分立元件進(jìn)行 設(shè)計(jì),從而解決了不靈活的設(shè)計(jì)問題。MPAC有助于實(shí)現(xiàn)一個簡單易用的Doherty放大器——一個除了無線基礎(chǔ)設(shè)施市場以外還能用于其它未曾預(yù)料到的市 場和機(jī)會的放大器。
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