基站和手機(jī)中的RF放大器都需要具有高線(xiàn)性度和高效率。通過(guò)采用一些聰明的技巧，設(shè)計(jì)師可以兼顧這兩個(gè)互斥的要求。

　　要 點(diǎn)

　　新手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求采用線(xiàn)性RF放大器。

　　提高線(xiàn)性通常會(huì)影響效率。

　　數(shù)字預(yù)失真是獲得高線(xiàn)性和高效率的一個(gè)方法。

　　Doherty放大器實(shí)現(xiàn)了一種用硬件改善效率的方法。

　　非線(xiàn)性系統(tǒng)建模和仿真比較困難。

　　手機(jī)采用了現(xiàn)代調(diào)制方案，該方案要求線(xiàn)性放大RF信號(hào)。為了達(dá)到所需線(xiàn)性度，典型的做法是在輸出端消耗更多的功率。該方法會(huì)降低效率，而對(duì)于手機(jī)、基站或其他電子系統(tǒng)，效率是最重要的參數(shù)之一。

　　在電信領(lǐng)域，手機(jī)和基站都很強(qiáng)調(diào)對(duì)效率的要求。對(duì)于手機(jī)，效率會(huì)直接影響電池的使用壽命。通過(guò)提高手機(jī)效率，還可以延長(zhǎng)通話(huà)時(shí)間，這對(duì)于手機(jī)是最基本的功能。而對(duì)于基站來(lái)講，效率高會(huì)減少電費(fèi)，同樣重要的是，還可降低發(fā)熱量。降低發(fā)熱量和功耗會(huì)產(chǎn)生一系列結(jié)果，從而降低初始投資、運(yùn)營(yíng)成本和總體擁有成本。

　　在較早的手機(jī)調(diào)制設(shè)計(jì)中，輸出級(jí)的線(xiàn)性并不重要，因?yàn)榻庹{(diào)并不要求信號(hào)必須是線(xiàn)性的。GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)） 通信技術(shù)中的CW（連續(xù)波）、FM（調(diào)頻）和GMSK（高斯最小頻移鍵控）都具有恒定的包絡(luò)線(xiàn)，不需要線(xiàn)性放大。而新調(diào)制技術(shù)（如EDGE，即增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)）則需要采用線(xiàn)性放大器?？赏ㄟ^(guò)欠驅(qū)動(dòng)（underdrive）RF放大器，使輸出信號(hào)和電源電壓間留有足夠的差值，從而達(dá)到線(xiàn)性度要求。但該方法的問(wèn)題在于它會(huì)直接降低放大器的效率。

　　當(dāng)輸出擺幅達(dá)到電源電平時(shí)，單晶體管輸出級(jí)效率會(huì)提高。如要提高效率，要選擇合適的電源電壓和負(fù)載阻抗，使輸出級(jí)擺幅接近電源電平。該方法中輸出晶體管消耗的平均功率較低，因?yàn)樵谳敵鲂盘?hào)接近電源電壓時(shí)輸出晶體管承受的電壓始終比較低。

　　然而遺憾的是，將輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)到接近電源電平時(shí)會(huì)導(dǎo)致放大器的線(xiàn)性變差。任何放大器，只要其電路設(shè)計(jì)使其輸出擺幅接近電源電平值，線(xiàn)性都會(huì)比較差。放大器線(xiàn)性問(wèn)題最終以放大器削波的形式表現(xiàn)出來(lái)，受電源電壓所限，信號(hào)變化無(wú)法正確地表示出被放大的輸入信號(hào)（圖1）。

圖1，通過(guò)對(duì)比藍(lán)色的輸入和黃色的中度削波波形或是紅色的嚴(yán)重削波波形，可以清楚地看到削波失真的情況。與圖中類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)諧波在頻域作為奇次諧波出現(xiàn)。放大器非線(xiàn)性產(chǎn)生調(diào)制中失真，該失真與兩個(gè)輸入音無(wú)諧波關(guān)系。

　　對(duì)線(xiàn)性的要求

　　盡管不好理解，但在許多RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，線(xiàn)性并不是最主要的問(wèn)題。事實(shí)上，設(shè)計(jì)師常選用C類(lèi)放大器，這充分表明，對(duì)于某些類(lèi)型的通信信號(hào)，輸入正弦波并不一定是最關(guān)鍵要求。例如，調(diào)頻電臺(tái)的RF信號(hào)就是如此。在發(fā)送調(diào)頻信號(hào)時(shí)，波形過(guò)零點(diǎn)就可以包括信號(hào)的所有信息。即使波峰失真，解調(diào)信號(hào)保真度也不會(huì)受到影響。過(guò)激勵(lì)的FM電臺(tái)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生載波頻率的諧波，從干擾角度來(lái)看，這些諧波可能是有害的，但調(diào)諧到過(guò)激勵(lì)FM電臺(tái)信號(hào)的收音機(jī)仍可正常工作（圖2）。

圖2，調(diào)頻信號(hào)y（t）不受放大器非線(xiàn)性影響。 信息包含在過(guò)零點(diǎn)中，而非幅值中，因此放大器幅值失真不會(huì)引起問(wèn)題。

　　過(guò)去10年以來(lái)，獲取手機(jī)射頻頻帶的高成本和對(duì)收益的追求，促使人們?cè)O(shè)計(jì)出可在較窄頻帶中傳輸更多信息的先進(jìn)的調(diào)制方案。這些方案的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們具有較高的帶寬效率。帶寬效率以每兆赫多少兆位數(shù)據(jù)或是每秒每赫茲多少數(shù)據(jù)位來(lái)表示。新近提議的手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（如EDGE）中包括的信息遠(yuǎn)不止是信號(hào)過(guò)零點(diǎn)信息。新的手機(jī)調(diào)制方案（如QAM，即正交幅度調(diào)制）在RF載波頻率包絡(luò)信號(hào)的相位和幅值上都承載有信息。請(qǐng)看一下經(jīng)典的64-QAM（64狀態(tài)QAM）向量星座圖（圖3），信號(hào)相位和幅值都采用一系列符號(hào)向量來(lái)生成RF信號(hào)的包絡(luò)。由于有64個(gè)向量，任一向量承載的信息可以表示6位的數(shù)字信息，從而使64-QAM方案具有了較高的帶寬效率，達(dá)到了6 Mbps/MHz。

圖3，64-QAM星座圖每個(gè)符號(hào)向量可編碼6位數(shù)據(jù)。有些向量容易出現(xiàn)相位誤差，有些向量容易出現(xiàn)幅值誤差。在這兩種情況下，波形包絡(luò)的精度都很重要，這就使放大器線(xiàn)性問(wèn)題變得非常重要。

　　在這樣的高級(jí)調(diào)制方案中，線(xiàn)性差會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。由于解調(diào)器需要的信號(hào)的幅值和相位都要準(zhǔn)確，所以信號(hào)的即時(shí)精度非常重要；而在FM傳輸中則只有過(guò)零點(diǎn)才有意義。如果工作信號(hào)將RF功率放大器激勵(lì)到接近輸出電平，晶體管會(huì)達(dá)到飽和，在信號(hào)中加入其固有對(duì)數(shù)非線(xiàn)性成分。結(jié)果導(dǎo)致放大器編碼的符號(hào)向量丟掉正確的幅值和相位。非線(xiàn)性問(wèn)題嚴(yán)重到一定程度，符號(hào)會(huì)重疊并導(dǎo)致信息丟失。

　　有些方案可以解決晶體管固有的非線(xiàn)性問(wèn)題，但在晶體管對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)工作點(diǎn)處晶體管會(huì)出現(xiàn)偏差。因此，實(shí)現(xiàn)這樣的解調(diào)方案會(huì)比較困難。另外，在晶體管輸出接近電源電平時(shí)，晶體管的飽和情況在解調(diào)方案是很難估計(jì)和處理的，這是因?yàn)槊總€(gè)RF源的電源電壓都有一定不確定性。要解決符號(hào)精度差的問(wèn)題，唯一的方法是提高RF功率放大器的精度。

　　由于晶體管的特性曲線(xiàn)，A級(jí)輸出級(jí)具有固有的非線(xiàn)性特性，使輸出信號(hào)正和負(fù)幅值不對(duì)稱(chēng)。在較低頻率下，通過(guò)反饋可以解決非線(xiàn)性問(wèn)題。很快，晶體管放大器就演化為運(yùn)算放大器，其前向增益可達(dá)120dB以上，這樣設(shè)計(jì)師就可以通過(guò)采用大量負(fù)反饋來(lái)改善信號(hào)的線(xiàn)性。此反饋與A-B級(jí)輸出級(jí)組合可達(dá)到較高線(xiàn)性度。例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LME49710標(biāo)稱(chēng)線(xiàn)性度為0.00003%。但是要注意，此線(xiàn)性度規(guī)格是對(duì)應(yīng)于頻率相對(duì)較低的工作條件。所有放大器在頻率升高時(shí)都會(huì)出現(xiàn)增益下降的現(xiàn)象。電流反饋放大器結(jié)構(gòu)在高頻下增益損失較小，但在高頻下增益仍會(huì)有所降低。