为您的5G RF功率放大器选择即插即用的预失真线性化电路

日期:2019-12-05
 
引言
“如果用一个粗荧光笔在双对数坐标上绘图,所有东西都是线性的。”这个所谓的“马尔定律”(标记定律)表达了一种嘲讽的观点,意思是有时候可通过操纵数据测量来使其看起来比实际的线性度更好。但是,作为移动蜂窝通信基础设施的核心,实现功率放大器(PA)的高线性度没有捷径可走。5G或第5代蜂窝移动通信(图1)的持续部署将对这些放大器的性能提出更高要求。
 

图1. 第5代蜂窝移动通信

本设计方案中,我们介绍5G通信技术有望带来的特性和优势,以及对PA设计的相关要求。然后我们回顾最常用的PA线性化技术,评估其满足这些要求的适应性,最后介绍一款低功耗线性化电路IC,该IC能够大大简化PA设计,同时降低其在5G应用中的功耗。
  
5G设计挑战
 
与现有通信技术相比,5G有望提供诸多优势。5G将能够为更多并发用户提供更高数据率,同时延长移动设备的电池寿命。为实现这一目标,PA必须以更高的效率工作,且比当前要求的带宽更高(高达100MHz)。
 
放大器线性度
 
一个具有完美线性的PA,它产生的信号必须是仅对预期输入信号进行放大。在现实中,这种PA是不存在的。实际上,非线性会造成输出信号失真,且失真程度随着放大器达到其饱和点而逐渐增大(图2)。
 

图2. 输出功率和失真程度的关系

对于多频输入信号,非线性会造成PA输出上出现有害的交调频率(图3)。
 

图3. PA生成的交调产物
降低PA失真就要求采用一定形式的线性化技术。在下文中,我们讨论最常见线性化技术在5G环境下的操作和适应性。
 
回退
 
限制最大输出功率水平,使得整个信号完全在PA传递曲线的线性部分,这种技术常被称为“回退”。这种相对直接的方法有一个缺点,就是放大器的效率(将直流功率转换为射频能量的能力)随着PA工作点远离其饱和点而降低。为了满足部分系统的信号峰均比(PAR)要求,所需的回退量可将PA的效率降低到低至8%。这就造成功耗较大、系统实施成本较高,以及需要更大的散热器。因此,回退不是5G应用中合适的线性化方法,它无法满足高效率的要求。
 
有源线性化
 
为了提高PA线性度且不降低效率,就要求一定形式的有源线性化,称为“预失真”。利用该项技术,根据PA的固有非线性度,进行一定量的“预失真”,将失真量的反信号注入到信号通路,在放大器输出处,相对于有用信号,降低有害信号的幅值(图4)。这被称为邻道泄露比(ACLR),应至少为50dBc。
 
 
图4. 采用预失真线性化时的PA输出特性

两种常用的有源线性化技术为数字预失真(DPD)和射频功率放大器线性化(RFPAL)。
 
DPD
 
如图5所示,数字预失真(DPD)在信号链的最开始(称为数字基带)将预失真修正信号增加到预期信号中。
 

图5. 数字预失真系统的实现

DPD系统的实现途径有多种,有些方案采用全集成方法(包含基带、数字和射频),有些方案则采用独立的数字基带和分立式射频。还有一种变体由FPGA和射频收发器(带有DPD观察通道) 组成。然而,要求收发器工作在输入信号带宽的5倍频率,大大提高了设计复杂度、占位面积和功耗(通常为5W),使得DPD技术不适用于小尺寸、低功耗应用。
 
  
RFPAL
 
图6所示的系统方框图中,采用一种替代有源线性化预失真技术,称为射频功率放大器线性化(RFPAL)。
 

图6. 射频预失真系统的实现

该方法利用独立的RFIN/RFOUT架构和自适应射频预失真技术,允许只有在所需点(称为PA输入)才注入修正信号。这意味着系统可以工作在较低频率(输入信号带宽),采用简单得多、小得多的发送器和基带架构,比DPD系统要求的功率更低。之前,使用RFPAL的最大线性化输入带宽仅为60MHz。图7所示为一种克服了这种局限性的新型RFPAL IC。
 

图7. SC1905 RFPAL典型应用电路

该器件的工作频率范围高达3.8GHz,线性化输入信号带宽高达100MHz。器件的功耗仅为1280mW,比DPD方案的功耗降低高达70%。图8所示为使用该线性化电路的典型PA的实测ACLR和效率性能(5路非连续20MHz LTE通道,10dB PAR)。
 

图8. 采用SC1905 RFPAL的PA的ACLR

对于37dBm的输出功率水平,PA的效率为23% @ -50dB ACLR (比无RFPAL提高约8dB的ACLR)。此外,由于该RFPAL器件基于多种主流PA (包括A类、AB类和Doherty)进行了评估,是有效的“即插即用”方案,可有效降低设计复杂度、设计周期和风险。IC采用9mm x 9mm QFN封装,方案总尺寸(包括电源、散热器和外壳)仅为6.5cm2。此外,必要时,线性化后的PA信号可采用混频器进行上变频,支持高达6GHz的应用。
 
总结
 
5G通信设备必须工作在比以往更高的带宽和效率。所用PA的线性度和效率将是满足这些要求的关键。本设计方案中,我们讨论了部分最常见的PA线性化技术。我们证明,回退技术不适合用于5G设计,但使用DPD技术作为一种有源线性化方法,可提高整体线性度和效率。然而,这是一项高度复杂的技术,会造成整体系统功耗较高、方案尺寸较大。我们可以得出结论,使用小尺寸、即插即用RFPAL IC,提高PA效率,支持高达100MHz输入信号带宽,可实现尺寸更小、功耗更低的线性化方案。该技术适用于不同架构的PA (A类/AB类/Doherty)、工艺(GaAs、GaN、InGa)和频率(698MHz至3.8GHz),支持较宽范围的应用。这使其成为5G无线蜂窝基础设施及其他应用的最佳选择。
 
 
 
了解更多:
 
SC1905 698MHz至3800MHz RF功率放大器线性化电路(RFPAL)
 
设计方案97
Rev 0。2019年6月
 
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Thomas Maudoux是Maxim Integrated核心产品事业部的资深技术人员,拥有超过20年的半导体行业经验。Maudoux持有美国乔治亚理工大学电子工程硕士学位。
 
Michael Jackson拥有超过20年的模拟IC设计工程经验,目前在Maxim Integrated担任资深技术文档工程师一职。Michael持有爱尔兰都柏林市立大学电子工程硕士学位。
 

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