理解包絡跟蹤功率放大器及其特性

傳統(tǒng)固定電源功率放大器的設計過程已經(jīng)多年未變。有了定義良好的性能評估標準，放大器設計者的工作只是設計出一個有最佳性能標準組合的功放。這并不是一個簡單的工作，但設計者至少知道一些公認的評估標準。對于包絡跟蹤功率放大器，情況要復雜得多，它需要使用更復雜的特性確定技術。

包絡跟蹤的目標是，提高那些承載高峰均功率比信號的功放效率。為了在有限的頻譜資源中獲得高的數(shù)據(jù)吞吐量，就需要采用有高峰均功率的線性調制。不幸的是，傳統(tǒng)的固定電源功放在這些情況下工作效率低下。與RF信號包絡同步地改變放大器的電源電壓，可以提高包絡跟蹤功放的效率。功放的基礎輸出特性（功率、效率、增益和相位）現(xiàn)在取決于兩個控制輸入值：RF輸入功率與電源電壓，可以表述為3D面。

一個典型的包絡跟蹤系統(tǒng)會動態(tài)地調節(jié)電源電壓，以高的即時功率跟蹤RF包絡。這種情況下，功放以高效率工作在壓縮狀態(tài)。主要由瞬時電源電壓決定放大器的輸出特性。反之，當瞬時RF功率低時，電源電壓保持大體恒定，主要由線性區(qū)中的瞬時輸入功率決定功放的輸出特性。在這兩個極端情況之間，存在著一個轉換區(qū)，此時電源電壓和輸入功率都對輸出特性有影響（圖1）。

圖1 :當即時RF功率低時，電源電壓維持基本恒定，而線性區(qū)的即時輸入功率就基本決定了功率放大器的輸出特性。

包絡跟蹤的線性

如果知道了一個功放的AM（波幅調制）/AM和AM/PM（相位調制）特性，就可以構建出一個功率的簡單準靜態(tài)（即無存儲的）行為模型。瞬時RF包絡與所需施加電源電壓之間的映射對這些特性有極大的影響，也包括功放的其它重要指標，如功率與效率。在包絡跟蹤系統(tǒng)中，包絡路徑中一個成形表（shaping table）的內容決定了這種映射（圖2）。

圖2 :即時RF包絡與所施加電源電壓之間的映射對這些特性有很大影響，另外還有其它關鍵功放指標，如功率與效率。在一個包絡跟蹤系統(tǒng)中，包絡路徑中成形表的內容決定了這個映射。

為實現(xiàn)“ISOgain”的成形，要選擇RF包絡與電源電壓之間的映射，以獲得某個恒定的功放增益（圖3）。采用這種映射時，包絡跟蹤放大系統(tǒng)可實現(xiàn)低的AM/AM失真，即使在大部分包絡周期內都工作在壓縮狀態(tài)（圖4）。圖中亦顯示了用固定電源工作時的等效軌跡；從這個軌跡看，顯然可以用包絡跟蹤對功放做線性化，降低鄰道功率比以及誤差矢量的幅度。

圖3 :為獲得“ISOgain”成形，要選擇RF包絡與電源電壓之間的映射，以獲得某個恒定的功放增益。

圖4 :包絡跟蹤放大器系統(tǒng)即使在多數(shù)包絡周期上都運行在壓縮態(tài)，也能實現(xiàn)低的AM/AM失真。

采用成形表做功放線性化也有系統(tǒng)折衷，這就是，在線性度明顯提高的同時，效率有小的損失（請比較圖1圖5與圖4圖6）。成形功能的選擇也對包絡路徑的帶寬需求有很大影響。對于1%到2%的系統(tǒng)效率損失，線性區(qū)與壓縮區(qū)之間的平滑轉換可減小對包絡放大器的帶寬要求。

圖5 :采用成形表對功放做線性化時，系統(tǒng)的折衷是在線性度有相當改善情況，損失了效率。線性區(qū)與壓縮區(qū)之間的平滑轉換結果是較低的帶寬。見圖1、4和6。

圖6 :選擇一個有最佳效率的成形表，可能使功放AM/AM非線性。

在設計一個固定電源的線性功放時，必須將大部分精力用于在最大輸出功率處獲得適當?shù)木€性特性。很多因素都對線性度有影響，包括基本的技術特性、偏置，以及RF匹配等，而設計者的職責是在效率與線性度之間獲得最佳的折衷。但對于一個包絡跟蹤功率放大器，壓縮區(qū)的線性度不再是一個自主的功放參數(shù)。放大器在小功率低電區(qū)仍然必須是線性的。但在較大功率上，不存在AM線性度約束，開發(fā)人員可以在設計功放時獲得最佳的包絡跟蹤效率，而不必顧慮AM線性度。與AM失真不同，包絡成形表并不直接控制相位失真。不過，很多功放工作在包絡跟蹤模式時，都表現(xiàn)出PM失真的下降。

這種自線性化的結果是，你可以用一個包絡跟蹤系統(tǒng)，在信號峰值時做更多的壓縮，高于固定電源的放大器，從而在給定的線性度下增加了輸出功率。圖7是針對一個工作在固定電源和包絡跟蹤模式下的放大器，分別測得的鄰道泄漏比與誤差矢量幅度性能。在此例中，?40-dBc鄰道泄漏比時，采用包絡跟蹤模式的放大器輸出功率要比固定電源模式高2 dB。

圖7 :在-40 dBc鄰道泄漏比時，包絡跟蹤放大器的輸出功率要比固定電源模式放大器高2 dB (a)。亦顯示了誤差矢量幅度性能 (b).

確定特性的技術

如果沒有先定義好的成形表，就不可能測量包絡跟蹤功放的獨立性能。這種定義需要在電源電壓和輸入功率的全程區(qū)間上，測量功放的基本特性，包括輸出功率、效率、增益和相位。理論上說，這種特性確定過程可以用一臺連續(xù)波網(wǎng)絡分析儀和一臺可調直流電源，但由于有熱效應、區(qū)間誤差以及相位測量時的漂移，得到的結果通常并不好。另外這種方法還太慢，不能采用負載拉移（load-pull）技術。一種替代方案是采用標準自動化測試設備，做脈沖特性測量。這種方法無需使用大帶寬、低阻抗電源，并足夠的快，可以采用拉移負載的方法。不過該方案很難做精確的相位測量。第三種方法是用真實的波形，并改變成形表，從而能夠測量輸入功率和供電電壓的全部組合。這種方法需要一個電源調壓器，但速度快，能夠獲取精確的相位信息，并且還可以確定存儲效應的特性（圖8）。

圖8: 使用有包絡跟蹤電源調壓器的自動化測試測量配置，可以在動態(tài)電源調節(jié)情況下，針對所有輸入功率與電源電壓組合，精確地捕捉和測量功率放大器的即時效率、增益和相位。

采用一個基本的包絡跟蹤功放特性，就可以建立一個功率放大器的準靜態(tài)數(shù)據(jù)模型。這個模型可以有輸出功率、相位，以及效率作為輸出，而輸入功率和電源電壓作為輸入。一旦定義了成形表，就可以用此模型，預測放大器的性能參數(shù)，如對標準測試波形的鄰道功率比、誤差矢量幅度，以及效率。

同樣的硬件還可以用于確定功放的器件級特性，以及用已定義成形表對功放系統(tǒng)性能做直接驗證（圖9）。對于較大帶寬的波形，放大器的存儲效應可能是非線性的一個主要來源。功放的輸出參數(shù)（包括AM、PM和效率）現(xiàn)在都取決于時間（即信號的歷史），還有即時輸入功率與電源電壓。存儲效應在放大器特性中體現(xiàn)為擴展了AM/AM與AM/PM特性，可以源于輸入或輸出偏置電路中的電子時間常數(shù)，與局部片芯加熱相關的熱時間常數(shù)，或對某種技術的電荷存儲效應。

圖9 :相同硬件可以同時用于功放器件級的特性確定，以及功放系統(tǒng)性能的直接驗證，方法是使用一個預定義的成形表，捕捉AM/AM響應 (a) 以及AM/PM響應 (b)。

提高效率

對典型的高峰均功率比信號統(tǒng)計表明，包絡跟蹤功率放大器通常大部分時間是工作在相對較低的電源電壓下，僅偶爾在大功率峰值上有短時高壓。因此，優(yōu)化放大器的匹配，從而獲得在目標峰均功率比信號下的最佳效率，就好于簡單地在峰值功率和最大電源電壓下獲得最佳效率的設計，后者是對固定電源功放的做法。設計者可以改變放大器的匹配，圍繞著信號概率密度函數(shù)的峰值來提高效率，雖然這樣會略微損失峰值功率效率，如下式所示（圖10）：

圖10 :設計者可以通過改變放大器的匹配，圍繞信號概念密度函數(shù)的峰值而提高效率，即使這樣做會付出少許峰值功率效率的代價。

為了徹底優(yōu)化一個包絡跟蹤功放的效率，可以擴展器件的特性，使之包含隨輸入功率與電源電壓而掃描負載阻抗，可采用基本方法或諧波負載拉移方法。這種特性確定產生了大量的數(shù)據(jù)，而Matlab這類工具可以對這些數(shù)據(jù)做自動化分析，預測出當運行在某組包絡跟蹤參數(shù)下時的平均效率。使用這種特性確定方法時，可以預測出放大器工作在包絡跟蹤模式時，其平均效率隨成形函數(shù)、輸出電壓擺幅、最大功率回退，以及波形統(tǒng)計等的變化（圖11）。

圖11: 當工作在包絡跟蹤模式時，可以預測放大器平均效率針對成形函數(shù)、輸出電壓擺幅、最大功率回退，以及波形統(tǒng)計等方面的變化 (a)；另外還顯示了峰值輸出功率 (b)。

參數(shù)變動的敏感度

你可能會認為，包絡跟蹤功放在各種溫度上的性能要弱于固定電源電壓功放。但實際情況恰好相反。包絡功放的性能較固定電源功放對電源電壓特性的變化更敏感，且大于對推動功放的RF鏈增益變化的敏感度。因為較RF增益的變動，你能更好地控制各種溫度上的電源電壓特性，因此極端溫度變化情況下，線性度幾乎沒有什么變化（圖12）。

圖12: 由于能夠更好地控制在各種溫度上的電源電壓特性，優(yōu)于RF增益的變化，因此在極端溫度變化情況下，線性度幾乎沒有什么改變。

在一個手持環(huán)境下，功放會因為鄰近物體的反射，而獲得不可控的負載阻抗，導致功放必須工作在VSWR（電壓駐波比）高達3:1的負載失配狀態(tài)。包絡跟蹤功放的自線性化原理亦適用于高VSWR情況，它可以獲得相當好的鄰道功率比，以及誤差矢量幅度性能，優(yōu)于采用固定電源電壓的放大器（圖13）。

圖13 :包絡跟蹤功率放大器的自線性化原理亦適用于高VSWR情況，這樣就可以得到相當好的鄰道功率比以及誤差矢量幅度性能，優(yōu)于固定電源模式下的放大器。

運行在包絡跟蹤模式下的功率放大器有系統(tǒng)效率的好處，這是盡人皆知的。但它還有其它可用的系統(tǒng)優(yōu)點，如增加了輸出功率，改善了對失配負載的運行，以及對溫度變化不敏感等。與固定電源電壓放大器相比，包絡跟蹤功率放大器需要收集多得多的數(shù)據(jù)，才能預測出其性能，并需要使用一個能夠掃描電源電壓和輸入功率的測試環(huán)境。關鍵是成形表的定義，它定義了電源電壓與RF功率之間的關系。一旦確定了成形函數(shù)，就可以使用適當?shù)南到y(tǒng)特性平臺，直接測出效率和線性度。