应用笔记 4611

调节MAX2009/MAX2010 RF预失真器以优化系统性能

By: Ruediger Brodowski

摘要 : 类似于WCDMA的线性调制方案能够支持较高的数据速率,每个载波允许多个无线连接,但会造成载波信号较高的峰均比。所以,当前的放大器不得不增大散热面积以满足邻信道泄漏的限制。由于PA (功率放大器)的效率下降,PA同样需要较大的散热面积,需要采用线性化技术以最小的IM (互调)获得最高效率。本应用笔记详细介绍了调节MAX2009/MAX2010模拟预失真器以优化IC性能的不同技术。

引言

类似于WCDMA的线性调制方案能够支持较高的数据速率,每个载波允许多个无线连接,但会造成载波信号较高的峰均比。与恒包络调制不同(恒包络调制中允许PA (功率放大器)采用小尺寸),目前应用中的放大器必须采用较大的散热面积,以满足邻信道泄漏的要求。PA效率的下降同样需要PA占用较大的散热面积,需要采用线性化技术以最小的IM (互调)实现最高效率。

众所周知的线性化技术,例如:前馈(FFW)和数字预失真(DPD),费用昂贵且需要相当大的空间。这就需要寻求一种元件数量少、易于操作的方法。

与FFW或DPD相比,MAX2009/MAX2010模拟RF预失真器需要非常少的外部元件,易于调节,并且具有相当大的线性范围。

MAX2009/MAX2010依靠RF频率下的AM-AM和AM-PM曲线校准提高IM3和ACPR性能。芯片内部测量信号功率,并将相位和增益预失真为电流信号幅度的函数。尽管AM-AM和AM-PM校准采用无记忆电路,AB类放大器仍然能够从Maxim®器件产生的负失真信号中获益,显著地改善系统性能。

与所有线性化技术一样,采用好的信号削波算法能够在PA之前降低信号的峰均比(没有超过EMV限制),有助于模拟预失真。MAX2009/MAX2010配合适当的信号削波方案能够获得最佳性能。

预失真器原理

对于指定的正弦RF输入,RF频率下放大器的压缩失真通常类似于图1。预失真器对输入信号进行失真处理,以抵消放大器造成的失真。结果得到净线性传输函数。

图1. 幅值失真传输函数
图1. 幅值失真传输函数

相位失真操作几乎相同。大多数放大器都倾向于随着幅度的增大而增大输入信号延时。这意味着输出信号的相位随幅度的增大而减小。预失真器的相位调整则相反,将延时作为幅度的函数,随幅度增大而减小。最终形成一个固定延时的传输函数。

图2. 相位失真传输函数
图2. 相位失真传输函数

上图所示为VIN/VOUT瞬态特性。对于RF放大器来说,即使可能实现,也非常困难。对于一个无记忆系统,通过简单绘制AM-AM和AM-PM曲线图,可完全描述放大器的非线性特性。图3所示为AM-AM和AM-PM曲线示例。输入信号为单频率,x轴表示输入功率,AM-AM和AM-PM曲线分别表示增益的幅值和相位。注意,相位压缩在幅度压缩之前进行,这一点对于选择正确的模拟预失真方法非常重要。

图3. AM-AM和AM-PM曲线
图3. AM-AM和AM-PM曲线

任何实际使用的放大器都具有一定程度的非线性,这种非线性可通过泰勒级数展开,表示成非线性传输函数:
VOUT = K0 + K1VIN + K2VIN² + K3VIN³ + ... + KNVINN
偶次谐波远离基波,其系数数值很小可忽略不计,谐波分量的幅值随着谐波次数的增大而减小。所以,大多数情况下利用3次和5次谐波即可准确地描述实际的非线性放大器。根据所要求的线性度的不同,高阶项在有些情况下可能非常重要。K3、K5、…等系数越大,放大器的非线性越严重,AM-AM和AM-PM曲线偏离理想直线越远。对于任何类型的放大器,预失真的目的都是尽可能改善系统的AM-AM和AM-PM曲线,从而将不希望的交调产物降至最小。

放大器预失真的准备工作

MAX2009/MAX2010的典型功能是扩展相位和增益,以补偿放大器的相位和增益压缩。这个过程相当于线性映射,功率管压缩曲线的每个点都对应于一个相位和增益修正值。实际应用中,放大器在一定程度上受记忆效应的影响。与其它半导体器件一样,功率管特性随温度变化,由于功率放大器的效率受限,大多数功率被转化为热量。这种能量转换对应于几个不同的时间常数。整个放大器变热需要几分钟,晶体管封装变热需要几秒钟,而一个LDMOS通道发热的时间则是微秒级的¹。所以,若一个信号包络的功率变化非常快,例如WCDMA,有效通道的温度将不再保持恒定,而是随调制信号变化。这就造成了记忆效应。若只是简单重启,由于放大器驱动从峰值向下变化时通道温度较高,会造成在沿压缩曲线向上和向下驱动时的表现不同。对于CDMA信号,这会影响到后面的多个数据芯片,意味着较大的EVM和互调产物。

管理记忆效应

可以用不同方式表示记忆效应(图4)。最直接的方法是使用自定义的CDMA编码,使平均功率较低,并且两个连续峰值具有相同的峰值功率。如果放大器的解调输出信号显示出不同幅度的峰值,则说明存在记忆效应。

图4. 记忆效应
图4. 记忆效应

一种常被用来识别放大器记忆效应的方法是测量输出频谱。不相等的IM边带说明放大器存在记忆效应(图5)。

图5. 放大器输出频谱说明存在记忆效应
图5. 放大器输出频谱说明存在记忆效应

无记忆模拟预失真器只能改善失真的非记忆部分,因此必须优化放大器以达到最小的记忆效应。

造成记忆效应的原因有多个,并非所有原因都能够由电路设计人员左右。虽然很难降低LDMOS通道的发热,但对包括所有驱动器的有源器件进行适当散热非常关键。

合理的电路设计能够减轻记忆效应的影响。为了避免载波调制引起电源电压变化,有必要在调制带宽范围内对电源进行滤波。

优化最大增益时,通常要将输入偏置匹配优化于高阻抗,但这对非线性栅极电容影响较大。轻微的匹配失谐虽然降低了零点几分贝的放大器增益,但可显著改善记忆效应。经验²表明:如果对放大器进行优化,使其在超出信号带宽的较宽频率范围内保持平坦的传输特性,可有效降低记忆效应。当采用商用化PA测试板对MAX2009进行测试时,很难对测试板上的偏置电路进行改动。这时可让测试板工作于一个非优化频率,或尝试优化在放大器工作带宽的其它频率。如果对于不同频率,IM边带形状不同,则表明由于不合理的电路设计造成了记忆效应;如果IM的改善程度随不同频率而变化,则表明匹配电路设计不理想,还有很大的改进余地。

最后,驱动末级放大器的驱动器输出阻抗也会带来一定影响。如果采用了商业化驱动放大器的EV (评估)板,评估板一般针对50Ω负载进行优化,实现较高增益和效率。但其输出阻抗在所要求的频率下一般并非“真正”的50Ω。因此,最好利用网络分析仪测量实际的驱动器输出阻抗,采用并联电容或电感重新匹配,将输出阻抗的电抗分量优化至最小。某些情况下,此举能够提高预失真器的IM改善程度。虽然基于设计经验,但该方法很有效。然而,多数情况下很难确定功放最后一级的输入阻抗,因为实际测量中网络分析仪要求的输入功率过高。

AB类放大器的预失真

目前,大多数使用非恒包络调制的应用(例如:WCDMA)都采用AB类放大器。因为这类放大器的效率比A类放大器高,并可满足线性要求。

图6图7图8所示为带有LDMOS驱动放大器的AB类LDMOS PA的输出频谱,利用MAX2009模拟预失真降低ACPR以及IM3。

图6. POUT = 19W (Motorola® MW41C2230和MRF21085)时的输出频谱
图6. POUT = 19W (Motorola® MW41C2230和MRF21085)时的输出频谱

测量条件(测量配置如图9所示):
使用3.84Mcps (3GPP)的双载波WCDMA信号
PB_IN* = 1.46V
PF_S1/2* = 4.1V
PD_CS1* = 5V
PD_CS2* = 0V

*不同控制电压的说明请参考MAX2009/MAX2010数据资料。

图7. POUT = 38W (Motorola MW41C2230和MRF5P21180)时的输出频谱
图7. POUT = 38W (Motorola MW41C2230和MRF5P21180)时的输出频谱

测量条件(测量配置如图9所示):
使用3.84Mcps (3GPP)的双载波WCDMA信号
PB_IN = 1.52V
PF_S1/2 = 4.9V
PD_CS1 = 0V
PD_CS2 = 0V

图8. POUT = 19W (Motorola 21085)时的单载波输出频谱
图8. POUT = 19W (Motorola 21085)时的单载波输出频谱

测量条件(测量配置如图9所示):
使用3.84Mcps (3GPP)的单载波WCDMA信号
PB_IN = 1.6V
PF_S1/2 = 5.0V
PD_CS1 = 5V
PD_CS2 = 0V

图9所示为实验中使用的典型测量配置。

图9. 典型测量配置,请注意ACPR不包括MAX2009的失真,该失真可通过将PB_IN设置为5V使其最小。
图9. 典型测量配置,请注意ACPR不包括MAX2009的失真,该失真可通过将PB_IN设置为5V使其最小。

如何正确调节MAX2009/MAX2010

本文介绍的调节MAX2009/MAX2010的方法并不是唯一可行的方式,但实践证明该方法速度非常快,且能够达到最佳结果。

第1步:将预失真器插入通道。相位部分,8dBm至12dBm平均输入功率,峰均比达到10dB。仅连接相位部分,设置PB_IN = 5V,关闭相位扩展。调节预失真器之后的增益/衰减,使PA具有正确的输出功率。

第2步:测量注入主PA的ACPR。它应该比预失真器预计达到的目标ACPR至少高3dB。

第3步:在标称斜率(PD_CS1 = 0V;PD_CS2 = 5V;PF_S1 = 5V)下,缓慢地向下调节PB_IN。将频谱分析仪设置为快速扫描和低平均速率(均值 = 4)。降低PB_IN会加大预失真器产生的失真。调节PB_IN以获得最优性能。如果没有看到性能改善,则将PB_IN维持在性能开始劣化的位置。

如果没有找到性能开始劣化或改善的PB_IN,则说明预失真器的平均输入功率太低,预失真器不能产生足够高的失真。如果PB_IN = 5V时ACPR下降,则说明预失真器的平均输入功率太高。

第4步:微调PF_S1和PB_IN以获得最佳性能。PF_S1偏置变容二极管并可能超过5V。调节控制,使上边带和下边带获得均等的IM3/ACPR性能。

如果在PF_S1 > 5V时获得最佳性能,将PD_CS2改为0V,使最优PF_S1电压在5V范围内。

如果在PF_S1 < 0.5V时获得最佳性能,将PD_CS1改为5V,使最优PF_S1电压大于0.5V。因为RF信号会使变容二极管导通,所以较低的PF_S1电压不可取,会大幅降低性能。

第5步:调节PA的直流偏置电压进一步改善性能和效率。偏置电压的改变会改变下边带/上边带功率之差和相位之差。这是获得最佳性能的重要一步。

第6步:重复第4步和第5步,直到无法进一步改善性能为止。

相位部分具有一些与输入功率相关的寄生增益扩展。这种寄生效应可能有益,并且能够提供更多改善。一旦找到了初始配置的最佳调节,则用不同的平均输入功率进行实验,查看是否可获得进一步的改善。但是,必须谨慎操作,确保平均输入功率的改变不会降低所有前置驱动产生的ACPR/IM3。

放大器的自热会影响性能,须确保温度稳定后调节放大器。

如果没有获得改善或只是确认预失真的结果,则应测量放大器的压缩效应。由于连续两个测量点之间增益扫描时间过长,不能使用网络分析仪进行测量。对于如此缓慢的测量,放大器有足够的时间适应新的功率电平。实际上,由于调制包络的原因,功率电平变化很快。若要描述实际工作条件下的放大器,必须通过使用激励信号测量失真,该激励信号呈现出与相应的调制方案相同的峰均比和带宽。Rohde & Schwarz³提供的AMPTUNE软件工具包能够对实际工作条件下PA的压缩特性进行测量。

图10所示为180W LDMOS晶体管在采用MAX2009预失真器进行预失真前后的AM-PM特性(38W输出功率)。本例为WCDMA系统,利用一个峰均比为10dB的5MHz带宽噪声信号作为激励。

图10. 用AMPTUNE软件³进行相位压缩测量
图10. 用AMPTUNE软件³进行相位压缩测量

注意,该软件程序显示了压缩曲线以及计算扩展,这是对放大器进行线性化所必需的。

MAX2009/MAX2010的其它应用示例

MAX2009/MAX2010将相位和增益作为信号幅值的一个函数进行扩展,从而补偿放大器的压缩效应。并非必须在系统的最终频率处进行优化,也可以在IF级完成。这种方法将MAX2009/MAX2010的应用范围从0.1GHz扩展至2.5GHz,适用于其它应用,例如卫星通信(图11)。

图11. 利用MAX2009/MAX2010在IF级进行预失真
图11. 利用MAX2009/MAX2010在IF级进行预失真




¹Cripps, Steve C., Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design, (Artech House) 2002.

²Vare, A.D., Hopper, R., Power Amplifier devices for UMTS, Roke Manor Research, Ltd., 2002. 请参见:https://www.armms.org/media/uploads/1326129701.pdf

³请参见:www.rohde-schwarz.com/
下一步
EE-Mail 订阅EE-Mail,接收关于您感兴趣的新文档的自动通知。
© , Maxim Integrated Products, Inc.
The content on this webpage is protected by copyright laws of the United States and of foreign countries. For requests to copy this content, contact us.
APP 4611:
应用笔记 4611,AN4611, AN 4611, APP4611, Appnote4611, Appnote 4611