【無線射頻芯片】-提升射頻功率放大器的效率

1/1如何提升射頻功率放大器的效率？熱力學(xué)的基本規(guī)律揭示出沒有電子設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)100％的效率雖然開關(guān)電源比較接近（達(dá)到98％）。但不幸的是任何產(chǎn)生RF功率的器件目前都無法達(dá)到或者接近抱負(fù)的性能，由于將直流功率轉(zhuǎn)換為射頻功率過程中面臨太多的缺陷，包括整個(gè)信號(hào)路徑傳輸造成的損耗，轉(zhuǎn)到工作頻率時(shí)的損耗，以及該器件固有特性損耗等。結(jié)果，MIT科技評(píng)論的一篇文章曾毫不客氣的這樣評(píng)價(jià)RF功率放大器，"它是一個(gè)特別低效的硬件。'

毫不驚奇的是，RF功率產(chǎn)品的每一環(huán)節(jié)廠家，從半導(dǎo)體到放大器再到放射器，以及高校和國防部，每年都花費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力，以提升RF功率器件的效率。這么做有充分的理由：即使是效率的微小提升，也可以延長電池驅(qū)動(dòng)類產(chǎn)品的工作時(shí)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狀況。

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。資料來源：Globecom2023，R.GrantandS.Fletcher.。

幸運(yùn)的是，經(jīng)過連年不斷努力提升RF效率，這些狀況在漸漸轉(zhuǎn)變。這些工作有一些是在器件級(jí)，有些則采納了一些創(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，以及采納比常見AB類級(jí)別更高級(jí)的放大器。

放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)重大轉(zhuǎn)變是5年內(nèi)就成為基站放大器標(biāo)準(zhǔn)的Doherty架構(gòu)。自從貝爾試驗(yàn)室(隨后成為了西屋電氣的一部分)的Doherty博士在1936年創(chuàng)造這種架構(gòu)后，它大部分時(shí)間處于寂靜狀態(tài)，只在幾個(gè)應(yīng)用中使用過。Doherty的討論制造了一種新的放大器結(jié)構(gòu)，在輸入信號(hào)具備很高峰均比（PAR）時(shí)，還可以供應(yīng)極高的功率附加效率。事實(shí)上，假如設(shè)計(jì)得當(dāng)，相較于標(biāo)準(zhǔn)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年以后的很多年間，只有很少類信號(hào)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(gè)無線系統(tǒng)都產(chǎn)生高PAR信號(hào)，從WCDMA到CDMA2000再到任何采納正交頻分復(fù)用的系統(tǒng)（OFDM），例如WiMAX，LTE和最近的香餑餑Wi-Fi。

圖2:一個(gè)典型的Doherty放大器

經(jīng)典Doherty放大器（圖2），可以歸類于負(fù)載調(diào)制架構(gòu)，實(shí)際上由兩個(gè)放大器組成：一個(gè)載波放大器偏置在AB類模式下進(jìn)行操作，而峰值放大器偏置成C類模式。一個(gè)功分器將輸入信號(hào)以90相位差等分給每個(gè)放大器。放大后，信號(hào)通過功率耦合器被重新合成。兩個(gè)放大器在輸入信號(hào)處于峰值時(shí)會(huì)同時(shí)操作，每個(gè)都表現(xiàn)為一個(gè)負(fù)載阻抗，以最大化輸出功率。

然而，隨著輸入信號(hào)功率的下降，C類峰值放大器被關(guān)閉，只有AB類載波放大器仍舊工作。在較低的功率電平常，AB類載波放大器表現(xiàn)為經(jīng)調(diào)制的負(fù)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(jì)在快速的迭代中取得了重大進(jìn)展，也獲得了巨大勝利。

當(dāng)然，沒有任何架構(gòu)是完善的。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(gè)重要的電路，也已成為當(dāng)今通信環(huán)境中必不行少的選擇：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(shí)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，細(xì)心的器件和放大器設(shè)計(jì)可以最大限度地降低線性損失。然而，它們沒有嚴(yán)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(huì)消失互調(diào)失真從而降低信號(hào)質(zhì)量。不幸的是，放大器性能最佳時(shí)，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，并且開頭消失顯著失真。這種失真會(huì)導(dǎo)致相鄰信道或服務(wù)的串?dāng)_。結(jié)果，設(shè)計(jì)人員通常將RF輸出功率回退到一個(gè)"平安區(qū)'，以確保線性度。當(dāng)他們這樣做時(shí)，多個(gè)RF晶體管是必需的，以達(dá)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(shí)間縮短，或在基站中會(huì)造成更高的運(yùn)營成本。

DPD有效地在放大器的輸入端引入了"反失真'，消退了放大器的非線性。其結(jié)果是，放大器不需要回退到最佳工作點(diǎn)，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全部重要電力消耗的削減。CFR工作時(shí)，通過減小輸入信號(hào)的峰均比來持續(xù)檢查失真狀況，這種作法降低了信號(hào)的峰值，以使信號(hào)通過放大器時(shí)不致產(chǎn)生削波或失真。當(dāng)DPD和CFR一起使用時(shí)，可以取得更大的增益。

異相功率放大器方法

另一個(gè)技術(shù)，是近80年前由HenriChireix創(chuàng)造并持有的專利技術(shù)，通常被稱為"outphasing'（異相功率放大器，負(fù)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(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)放大器。由于對(duì)相位進(jìn)行了掌握，使得當(dāng)輸出信號(hào)耦合時(shí)，使用B類RF功率放大器可以實(shí)現(xiàn)效率增益。謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)技術(shù)，特殊是選擇適當(dāng)?shù)碾娍梗梢詫⑾到y(tǒng)優(yōu)化到一個(gè)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(gè)功率放大器中采納了outphasing方法，集成緊湊、低損耗的功率耦合電路，并帶有一個(gè)基于DSP的相位誤差校正補(bǔ)償電路，相比現(xiàn)有放大器普遍的65%傳輸時(shí)間，該放大器傳輸時(shí)間可以超過95％。對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，這種功率放大器的峰值輸出可以達(dá)到100瓦；平均電效率從50％提高到70％。

輸入信號(hào)被分成具有恒定幅度和相位變化的兩個(gè)信號(hào)。振幅依RF功率器件設(shè)定，功率耦合電路重構(gòu)源信號(hào)波形。從前，當(dāng)源信號(hào)重構(gòu)時(shí)，耦合精度損失需要確定相位差，阻擋了該技術(shù)的商用。富士通使用的耦合器具有更短的信號(hào)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(jī)制沒有負(fù)載調(diào)制效果的一個(gè)變體被稱為非線性概念的線性放大（LINC），采納一個(gè)分別耦合器和放大級(jí)驅(qū)動(dòng)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(duì)較低，由于每個(gè)放大器工作在一個(gè)恒定功率上，即使低RF輸出電平常也如此。Chireix修正了這一點(diǎn)，通過結(jié)合outphasing和一個(gè)非分別耦合器和負(fù)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(jìn)一步提升，用outphasing掌握兩個(gè)開關(guān)模式的RF放大器，使它們適應(yīng)高波峰因子信號(hào)。該公司正在將Chireixoutphasing技術(shù)與GaNHEMT開關(guān)式E類放大器結(jié)合起來（圖3）。

圖3：簡(jiǎn)化后的Chireix異相功率放大器結(jié)構(gòu)框圖。來源：恩智浦

恩智浦開發(fā)并獲得專利的新驅(qū)動(dòng)器技術(shù)通過掌握相位關(guān)系，使放大器在約25％的帶寬上達(dá)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(fù)載調(diào)制以在退出飽和時(shí)保持放大器的高效率，這使得它們能夠適應(yīng)各種簡(jiǎn)單波形。恩智浦為基于GaN器件的E級(jí)RF功率放大器供應(yīng)了參考設(shè)計(jì)，并附帶了Chireix相關(guān)的技術(shù)資料。

包絡(luò)跟綜

另一個(gè)放大器設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)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(duì)于典型功率放大器設(shè)計(jì)中DC-DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)的固定電壓，包絡(luò)跟蹤電源以一個(gè)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(shí)包絡(luò)信號(hào)。

在CMOSRF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多年來始終在開發(fā)這種技術(shù)。他們已經(jīng)表明，該技術(shù)能夠克服CMOSRF放大器應(yīng)用中因非線性導(dǎo)致的缺點(diǎn)。CMOS功率放大器始終被詬病是目前高PAR調(diào)制技術(shù)的一個(gè)糟糕選擇，由于它們固有的線性度較差，這就要求它們必需回退以減小失真。當(dāng)CMOS放大器在較高的RF功率電平工作時(shí)，會(huì)消失削波和失真。

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)來消退線性問題，而無需使用DPD。使用這種技術(shù)的設(shè)備達(dá)到了高效率目標(biāo)，已經(jīng)在其它方面實(shí)現(xiàn)了與GaAs同樣的性能。全部討論CMOS放大器的一個(gè)巨大好處是，CMOS器件在整個(gè)電子行業(yè)中普遍存在，有許多代工廠家支撐，因此相對(duì)廉價(jià)。由于它基于硅，也可以在功率放大器芯片上直接集成掌握和偏置電路。

其他完全不同的方法

另一個(gè)放大器技術(shù)由EtaDevices提倡，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JoelDawson和DavidPerreault以及愛立信和華為的一位前功放討論員共同創(chuàng)建。其不對(duì)稱多級(jí)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RayStata和他的風(fēng)險(xiǎn)投資公司StataVenturePartners聯(lián)合投資。

該公司的首要目標(biāo)是新興市場(chǎng)，包括燃料方面每年耗資150億美元的多達(dá)64萬臺(tái)的柴油發(fā)電機(jī)功率基站，其次是智能手機(jī)市場(chǎng)。今年二月，EtaDevices在西班牙巴塞羅那舉辦的移動(dòng)通信世界大會(huì)先進(jìn)LTE部分上展現(xiàn)了其Eta5設(shè)備，該設(shè)備的放射信道超過80-MHz。

EtaDevices大膽宣稱，它的ETAdvanced（高級(jí)包絡(luò)跟蹤）技術(shù)，估計(jì)可削減50％的基站能源成本。還宣稱，它可以將智能手機(jī)電池續(xù)航時(shí)間提升一倍。前提是，所述放大器的RF功率晶體管在待機(jī)模式和放射模式時(shí)同時(shí)消耗功耗，而提升效率的唯一途徑是將待機(jī)功率降低到最低可能水平。

在低功耗待機(jī)模式和高功率輸出之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，會(huì)導(dǎo)致失真現(xiàn)象，現(xiàn)有的系統(tǒng)為持續(xù)檢測(cè)這一狀況，需要維持高待機(jī)功率水平，帶來的代價(jià)是高功耗。EtaDevices的做法是，通過每秒高達(dá)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(gè)問題是，該公司解釋說LTEAdvanced以及100MHz帶寬要求將會(huì)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)這種狀況，由于它不能支持比40Mhz更寬的信道。據(jù)該公司的說法，ETAdvanced支持高達(dá)160MHz的信道，因此它可以同時(shí)滿意高級(jí)LTE和802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi。使用其技術(shù)的基站可以特別小，該公司聲稱，它已經(jīng)開發(fā)出首個(gè)平均效率大于70％的LTE放射機(jī)。

總結(jié)

假如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爭(zhēng)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(jìn)步有多大，可以確定的是，