功率放大器中的记忆效应概述.docVIP

第三章 射频功率放大器的记忆效应 记忆效应,定义为由带宽决定的非线性效应,是本章的主题.射频功率放大器在现代无线电通信中起着重要的作用,然而其相应的设计目标却使得功放的性能优化变得十分困难.在第二章中已经讨论过线性,一会儿将在第3.1节中研究直流到射频的转换质量,它包括了射频功率放大器的主要问题,也就是线性和效率之间的平衡问题.为了提高此平衡,功放可以通过设计来达到高的效率,然而却牺牲了线性.于是,需要通过外部的线性化方法来使功放满足线性要求.然而不幸地是,记忆效应却引起了信号波段内互调音调的变化. 尽管记忆效应并没有显著地减少功放本身的线性,却降低了所用的线性化方法的性能,因此使得效率和线性之间的平衡产生恶化. 在3.1节中定义了功放效率,3.2节讨论了最常用的线性化方法以及记忆效应对其的影响.然后3.3节,3.4节,3.5节讲述射频功率放大器内部不同类型的记忆效应,例如区分由非常量阻抗引起的电记忆效应和由动态自我加热引起的电热记忆效应.3.5节介绍了在适当信号幅度时出现的由幅度决定的记忆效应. 3.1 效率 功放的效率描述了被转换为射频功率的直流功率部分,表示如下: 其中, 是输出射频功率, 是来自直流源的功率.然而,附加功率效应(PAE),考虑到了输入信号的功率,表示如下: 其中, 是输入信号的功率,G是功放的增益. 移动电话的最大发射功率通常在1W左右,基站的功率更高.然而,调制器或上变频混频器只能够产生1mW以下的发射信号.结果,在发射链路中需要一个大的功率增益,它使用一级一级的级联来产生期望的输出特性.两级级联的总效率计算如下: 其中和分别是第一级的集电级效率和第二级的漏级效率(非附加功率效应PAE), G2是末级的增益.从 (3.3) 可以看出,系统的总效率主要由末级的效率决定.假设末级效率是50%,对应增益是15 dB. 如果前级效率从20%增加到30%,总效率只增加了1%(从46%变到47%) 上面的计算表明,若要提高总体效率,必须提高末级效率.因此,大部分努力应该放在末级效率和线性的平衡上.由于功放的前级设计不会有太大问题,本书将重点放在功放末级的设计上.多级功放设计也会遇到一些额外的困难,这起因于级间的匹配,例如,文献中 [1-3] 已详细涵盖了这些改进措施,本书中没有必要再进行重复,即使是这里出现的测试设备和分析,同样可以引申到多级功率放大器来. 3.2 线性化 3.2.1 线性化和效率 在A类放大器中,回退是用来满足线性需求的传统方法.一旦输出功率从最大值开始减小,幅度变换和失真产物的数量也减小.不幸的是,回退降低了效率,所以是一种不引人注意的功放线性化方法.图3.1描述了一个A类放大器在不同回退值下的IM3(即三阶互调)标准(它是效率的函数).此仿真中使用了一个三阶多项式输入-输出功放模型,结果表明,当IM3较低时,效率迅速下降. 图3.1 在独立和线性化结构中功率放大器的线性(是效率的函数) 在传统的功放设计中,效率和线性是相互对立的需求,如果设计目标是要达到良好的线性的同时还要兼顾合理的效率,就必须采用一些线性化方法.线性化的主要思想就是功放本身的设计能在牺牲线性的前提下达到良好的效率,然后再通过外部线性化来满足线性的要求.这在图3.1中被论证.我们假设IM3是–45dBc.如果不进行线性化,满足IM3的回退值会产生一个接近10%的效率.图中较低的曲线描述了线性化的IM3值,在达到同样线性的情况下,功放的效率比20%还要好.在这个例子中,功放的功率消耗减小量多于二分之一. 上文的计算仅仅考虑了功放的功耗,但是实际上,线性化也会消耗一大部分功率.假定输出功率被压缩了0.25 dB,这是现化无线电功放的一个标准值.现在,输出需要的额外功率来恢复基本的输出信号功率,额外的1%足够用来删除大约–25-dBc IM3成分.因此,用来恢复基本的和删除IM3信号的总共额外功率接近功放输出功率的7%,这并不过多.然而,这却足够影响到线性化电路的效率和结构. 3.2.2线性化方法 [5-7]中详细介绍了一些线性化方法.这里仅简单介绍了一些最常用的种类,表3.1是对其做的一个简短的比较. 反馈应用普遍,只要反馈回路有足够的增量增益,它就能抑制失真.为了增加环路增益,通常采用笛卡尔形式[图3.2(a)]或极坐标形式的基带误差放大器.环路内部必须的上下转换增加了噪声源和环路延迟，限制线性化电路的稳定带宽在100 kHz以下.由于功放受驱动接近压缩,环路增益和带宽也随信号幅度变化,使得系统分析更加复杂. 多频功放通常采用前馈.这里,主功放产生的失真通过从主功放输出送到线性成分来得到. 此失真信号被辅助功放放大并最终从输出中去除.由于这样的排列不含反馈环路,所以没有稳定性限制,但是合路器和移相器的带宽限制了补偿带宽