干貨！一種快速提升射頻功率放大器效率的方法

熱力學(xué)的基本規(guī)律揭示出沒有電子設(shè)備可以實現(xiàn)100％的效率——雖然開關(guān)電源比較接近（達到98％）。但不幸的是任何產(chǎn)生RF功率的器件目前都無法 達到或者接近理想的性能，因為將直流功率轉(zhuǎn)換為射頻功率過程中面臨太多的缺陷，包括整個信號路徑傳輸造成的損耗，轉(zhuǎn)到工作頻率時的損耗，以及該器件固有特 性損耗等。結(jié)果，MIT科技評論的一篇文章曾毫不客氣的這樣評價RF功率放大器，“它是一個非常低效的硬件?！?/p>

毫不奇怪的是，RF功率產(chǎn)品的每一環(huán)節(jié)廠家，從半導(dǎo)體到放大器再到發(fā)射器，以及大學(xué)和國防部，每年都花費大量的時間和財力，以提升RF功率器件的效率。這么做有充足的理由：即使是效率的細微提升，也可以延長電池驅(qū)動類產(chǎn)品的工作時間，并降低無線基站每年的電力消耗。圖1顯示了RF部分占基站整體功耗的比例情況。

圖1：將基站電力消耗中的各種射頻相關(guān)部分加起來，最終結(jié)果值將相當(dāng)大。

幸運的是，經(jīng)過連年不斷努力提升RF效率，這些情況在逐漸改變。這些工作有一些是在器件級，有些則采用了一些創(chuàng)新技術(shù)，比如包絡(luò)跟綜，數(shù)字預(yù)失真/波峰因子降低方案，以及采用比常見AB類級別更高級的放大器。

放 大器設(shè)計的一個重大轉(zhuǎn)變是5年內(nèi)就成為基站放大器標準的Doherty 架構(gòu)。自從貝爾實驗室（隨后成為了西屋電氣的一部分）的Doherty 博士在1936年發(fā)明這種架構(gòu)后，它大部分時間處于沉寂狀態(tài)，只在幾個應(yīng)用中使用過。Doherty 的研究創(chuàng)造了一種新的放大器結(jié)構(gòu)，在輸入信號具備很高峰均比（PAR）時，還可以提供極高的功率附加效率。事實上，如果設(shè)計得當(dāng)，相較于標準并行AB類放 大器，Doherty 放大器的效率可提升11％到14％。

當(dāng)然，在1936年以后的許多年間，只有很少類信號具備這些特性，如通信系統(tǒng)中 使用調(diào)制方案的AM和FM便沒有。而目前，幾乎每一個無線系統(tǒng)都產(chǎn)生高PAR信號，從WCDMA到CDMA2000再到任何采用正交頻分復(fù)用的系統(tǒng) （OFDM），例如WiMAX，LTE和最近的香餑餑Wi-Fi。

圖2：一個典型的Doherty放大器

經(jīng)典Doherty放大器（圖2），可以歸類于負載調(diào)制架構(gòu)，實際上由兩個放大器組成：一個載波放大器偏置在AB類模式下進行操作，而峰值放大器偏置成C類 模式。一個功分器將輸入信號以90°相位差等分給每個放大器。放大后，信號通過功率耦合器被重新合成。兩個放大器在輸入信號處于峰值時會同時操作，每個都表現(xiàn)為一個負載阻抗，以最大化輸出功率。

然而，隨著輸入信號功率的下降，C類峰值放大器被關(guān)閉，只有AB類載波放大器仍然工作。在較低的功率電平時，AB類載波放大器表現(xiàn)為經(jīng)調(diào)制的負載阻抗，以提升效率和增益。隨著該架構(gòu)重新煥發(fā)活力，Doherty放大器設(shè)計在快速的迭代中取得了重大進展，也獲得了巨大成功。

當(dāng)然，沒有任何架構(gòu)是完美的。Doherty放大器的線性度和輸出功率比雙AB類放大器都稍差些。這給我們帶來了另一個重要的電路，也已成為當(dāng)今通信環(huán)境中必不可少的選擇：模擬和數(shù)字線性化技術(shù)。該技術(shù)中使用最廣泛的是數(shù)字預(yù)失真（DPD），有時與波峰因子降低（CFR）組合使用。DPD和CFR都可以大幅 降低Doherty的失真，精心的器件和放大器設(shè)計可以最大限度地降低線性損失。然而，它們沒有嚴格定義在Doherty放大器中使用，在其它放大器結(jié)構(gòu) 中使用效果也相當(dāng)明顯。

提升線性度

現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)要求放大器的線性度足夠高，否則會出現(xiàn)互調(diào)失真從而降低信號質(zhì)量。不幸的是，放大器性能最佳時，它們都已接近飽和電平，隨后，它們變得非線性化，RF功率輸出隨輸入功率增加而下降，并且開始出現(xiàn)顯著失真。這種失真會導(dǎo)致相鄰信道或服務(wù)的串?dāng)_。結(jié)果，設(shè)計人員通常將RF輸出功率回退到一個“安全區(qū)”，以確保線性度。當(dāng)他們這樣做時，多個RF晶 體管是必需的，以達到給定的RF輸出功率，這將增加電流消耗，并導(dǎo)致續(xù)航時間縮短，或在基站中會造成更高的運營成本。

DPD有效地在放大器 的輸入端引入了“反失真”，消除了放大器的非線性。其結(jié)果是，放大器不需要回退到最佳工作點，從而不需要更多的射頻功率器件。由于放大器變得更加高效，帶 來的好處是散熱成本的降低和所有重要電力消耗的減少。CFR工作時，通過減小輸入信號的峰均比來持續(xù)檢查失真情況，這種作法降低了信號的峰值，以使信號通 過放大器時不致產(chǎn)生削波或失真。當(dāng)DPD和CFR一起使用時，可以取得更大的增益。

異相功率放大器方法

另一個技術(shù)，是近80年前由Henri Chireix 發(fā)明并持有的專利技術(shù)，通常被稱為“outphasing”（異相功率放大器，負載調(diào)制技術(shù)家族的一員），目前被富士通、恩智浦等用于提升放大器效率。它 結(jié)合了兩種非線性RF功率放大器，由不同相位的信號驅(qū)動兩個放大器。因為對相位進行了控制，使得當(dāng)輸出信號耦合時，使用B類RF功率放大器可以實現(xiàn)效率增 益。謹慎的設(shè)計技術(shù)，特別是選擇適當(dāng)?shù)碾娍?，可以將系統(tǒng)優(yōu)化到一個特定的輸出幅度，這將帶來兩倍的效率提升（至少理論上如此）。

富士通去年 宣布其已經(jīng)在某個功率放大器中采用了outphasing方法，集成緊湊、低損耗的功率耦合電路，并帶有一個基于DSP的相位誤差校正補償電路，相比現(xiàn)有 放大器普遍的65%傳輸時間，該放大器傳輸時間可以超過95％。對該設(shè)計進行測試，這種功率放大器的峰值輸出可以達到100瓦；平均電效率從50％提高到 70％。

輸入信號被分成具有恒定幅度和相位變化的兩個信號。振幅依RF功率器件設(shè)定，功率耦合電路重構(gòu)源信號波形。先前，當(dāng)源信號重構(gòu)時，耦合精度損失需要確定相位差，阻止了該技術(shù)的商用。富士通使用的耦合器具有更短的信號路徑，降低了損耗并增大了帶寬。

恩智浦極具前景的開發(fā)

Outphasing 機制沒有負載調(diào)制效果的一個變體被稱為非線性概念的線性放大（LINC），采用一個分離耦合器和放大級驅(qū)動到飽和，并能有效地提高線性度和峰值效率。但 LINC放大器效率相對較低，因為每個放大器工作在一個恒定功率上，即使低RF輸出電平時也如此。Chireix修正了這一點，通過結(jié)合 outphasing和一個非分離耦合器和負載調(diào)制，從而提升了平均效率。恩智浦半導(dǎo)體公司做了進一步提升，用outphasing控制兩個開關(guān)模式的 RF放大器，使它們適應(yīng)高波峰因子信號。該公司正在將Chireixoutphasing技術(shù)與GaN HEMT開關(guān)式E類放大器結(jié)合起來（圖3）。

圖3：簡化后的Chireix 異相功率放大器結(jié)構(gòu)框圖

恩智浦開發(fā)并獲得專利的新驅(qū)動器技術(shù)通過控制相位關(guān)系，使放大器在約25％的帶寬上達到高效率。這引發(fā)了一種新架構(gòu)，通過結(jié)合E類放大器和負載調(diào)制以在退出 飽和時保持放大器的高效率，這使得它們能夠適應(yīng)各種復(fù)雜波形。恩智浦為基于GaN器件的E級RF功率放大器提供了參考設(shè)計，并附帶了Chireix相關(guān)的 技術(shù)資料。

包絡(luò)跟綜

另一個放大器設(shè)計人員關(guān)注的重點技術(shù)是包絡(luò)跟蹤，這種技術(shù)中，施加到 功率放大器的電壓被連續(xù)地調(diào)整，以確保它工作在峰值區(qū)域，從而使功率最大。相對于典型功率放大器設(shè)計中DC-DC轉(zhuǎn)換器提供的固定電壓，包絡(luò)跟蹤電源以一 個高帶寬、低噪聲波形調(diào)制連接到該放大器的電源，該波形則被同步到瞬時包絡(luò)信號。

在CMOS RF功率器件中使用包絡(luò)跟蹤技術(shù)具備相當(dāng)大的吸引力。Nujira多年來一直在開發(fā)這種技術(shù)。他們已經(jīng)表明，該技術(shù)能夠克服CMOS RF放大器應(yīng)用中因非線性導(dǎo)致的缺點。CMOS功率放大器一直被詬病是目前高PAR調(diào)制技術(shù)的一個糟糕選擇，因為它們固有的線性度較差，這就要求它們必須 回退以減小失真。當(dāng)CMOS放大器在較高的RF功率電平工作時，會出現(xiàn)削波和失真。

然而，Nujira在其專有的包絡(luò)跟蹤技術(shù)中結(jié)合了其專 利ISOGAIN線性化技術(shù)來消除線性問題，而無需使用DPD。使用這種技術(shù)的設(shè)備達到了高效率目標，已經(jīng)在其它方面實現(xiàn)了與GaAs同樣的性能。所有研 究CMOS放大器的一個巨大好處是，CMOS器件在整個電子行業(yè)中普遍存在，有很多代工廠家支撐，因此相對便宜。因為它基于硅，也可以在功率放大器芯片上 直接集成控制和偏置電路。

其他完全不同的方法

另一個放大器技術(shù)由Eta Devices倡導(dǎo)，這是從美國麻省理工學(xué)院剝離出來的公司，由兩位電氣工程教授Joel Dawson 和David Perreault以及愛立信和華為的一位前功放研究員共同創(chuàng)建。其不對稱多級Outphasing（AMO）技術(shù)由MIT開發(fā)，該公司是由ADI公司聯(lián) 合創(chuàng)始人Ray Stata和他的風(fēng)險投資公司Stata Venture Partners聯(lián)合投資。

該公司的首要目標是新興市場，包括 燃料方面每年耗資150億美元的多達64萬臺的柴油發(fā)電機功率基站，其次是智能手機市場。今年二月，Eta Devices在西班牙巴塞羅那舉辦的移動通信世界大會先進LTE部分上展示了其Eta5設(shè)備，該設(shè)備的發(fā)射信道超過80-MHz。

Eta Devices大膽宣稱，它的ETAdvanced（高級包絡(luò)跟蹤）技術(shù)，預(yù)計可減少50％的基站能源成本。還宣稱，它可以將智能手機電池續(xù)航時間提升一 倍。前提是，所述放大器的RF功率晶體管在待機模式和發(fā)射模式時同時消耗功耗，而提升效率的唯一途徑是將待機功率降低到最低可能水平。

在低功耗待機模式和高功率輸出之間進行轉(zhuǎn)換，會導(dǎo)致失真現(xiàn)象，現(xiàn)有的系統(tǒng)為持續(xù)檢測這一狀況，需要維持高待機功率水平，帶來的代價是高功耗。Eta Devices的做法是，通過每秒高達2000萬次的采樣，選擇出晶體管兩端消耗最低功耗的電壓。

另 一個問題是，該公司解釋說LTE Advanced 以及100 MHz帶寬要求將會為RF功率放大器帶來巨大需求。僅僅通過包絡(luò)跟蹤無法適應(yīng)這種情況，因為它不能支持比40Mhz更寬的信道。據(jù)該公司的說 法，ETAdvanced支持高達160 MHz的信道，因此它可以同時滿足高級LTE和802.11ac標準的Wi-Fi。使用其技術(shù)的基站可以非常小，該公司聲稱，它已經(jīng)開發(fā)出首個平均效率大 于70％的LTE發(fā)射機。

總結(jié)

如果完全描述目前為提升RF功率效率所做的工作，可以寫一大本書。這些內(nèi)容不僅局限于本文所討論的范圍，也包括不同類放大器的使用以及配套技術(shù)，這些技術(shù)的結(jié)合可以產(chǎn)生有意義的結(jié)果。不管取得的進步有多大，可以 肯定的是，只要更高數(shù)據(jù)速率需求依然存在，對更高效率的探索也必將繼續(xù)下去。