單片射頻控制器如何促進(jìn)Doherty放大器在更多射頻應(yīng)用中的使用

好的發(fā)明可以開(kāi)啟未曾預(yù)料的機(jī)會(huì)大門(mén)。1947年，三位ATT公司的研究人員開(kāi)發(fā)出了晶體管，作為經(jīng)常有問(wèn)題、可靠性不高的真空管的替代品。他們不知道他們的工作無(wú)意中形成了現(xiàn)代電子的基礎(chǔ)，并最終促進(jìn)了集成電路的發(fā)展。與晶體管一樣，互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)初是為特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，然后逐步演進(jìn)?；ヂ?lián)網(wǎng)是在冷戰(zhàn)時(shí)期創(chuàng)建的，主要目的是在無(wú)線電和電話發(fā)生故障時(shí)用作點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信的一個(gè)手段。時(shí)至今日，我們已經(jīng)無(wú)法想像沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)的世界會(huì)是怎樣一番景象。

1936年，貝爾電話技術(shù)公司的William H.Doherty發(fā)表了一篇題為《用于調(diào)制波的新型高效功放》的論文。這篇論文詳細(xì)介紹了可以提高射頻功放效率的一種解決方案——即現(xiàn)在大家都知道的Doherty功率放大器。雖然Doherty放大器創(chuàng)建之初是用于寬帶無(wú)線電發(fā)射機(jī)的，但就像許多偉大的發(fā)明一樣，在預(yù)料之外的舞臺(tái)上也大放異彩。

Doherty肯定從未預(yù)料到，隨著WCDMA和LTE網(wǎng)絡(luò)的興起，他的放大器能夠這么快地得到普及。在過(guò)去幾年中，Doherty放大器很明顯主導(dǎo)了無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備市場(chǎng)，這得歸功于這種放大器的架構(gòu)能夠適應(yīng)很高的峰均比(PAR)。隨著無(wú)線領(lǐng)域中幅度調(diào)制的采用以及全球LTE的普及，峰均比可達(dá)9dB左右。Doherty結(jié)構(gòu)使用負(fù)載調(diào)制技術(shù)，可以在回退條件下取得很高的效率。回退效率是放大LTE信號(hào)的功放模塊總體系統(tǒng)效率高的關(guān)鍵。大多數(shù)無(wú)線基站實(shí)現(xiàn)Doherty架構(gòu)的目的就是提高功放效率，特別是在采用幅度調(diào)制的時(shí)候。

雖然如今Doherty功放在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，但其它市場(chǎng)和應(yīng)用一直在避免使用Doherty結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)镈oherty放大器優(yōu)化比較困難。了解到Doherty優(yōu)化方面的挑戰(zhàn)，Peregrine半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)了一種解決方案——一種單片射頻控制器，它能通過(guò)數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)相位和幅度的校準(zhǔn)。這種單片射頻控制器稱(chēng)為UltraCMOS MPAC(單片相位與幅度控制器)，可以降低Doherty放大器優(yōu)化的難度，使其更加簡(jiǎn)單和容易使用。MPAC(圖1)使得Doherty放大器可以擴(kuò)展應(yīng)用到無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)之外，進(jìn)入更多的射頻應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1：UltraCMOS MPAC(單片相位與幅度控制器)可以通過(guò)數(shù)字接口完成Doherty放大器的載波和峰值路徑之間的相位與幅度校準(zhǔn)。

Doherty放大器結(jié)構(gòu)

在詳細(xì)了解Doherty優(yōu)化挑戰(zhàn)和Peregrine公司的MPAC產(chǎn)品之前，讓我們先看看Doherty放大器巧妙的設(shè)計(jì)。它采用了一種由兩個(gè)放大器組成的雙路徑架構(gòu)，即一個(gè)載波放大器，一個(gè)峰值放大器，如圖2所示。Doherty的兩個(gè)放大器路徑可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)架構(gòu)更高的效率增益。載波放大器是專(zhuān)門(mén)為載波信號(hào)設(shè)計(jì)的AB類(lèi)放大器。峰值放大器是專(zhuān)門(mén)針對(duì)信號(hào)中的高峰值優(yōu)化了的C類(lèi)放大器。信號(hào)從主射頻輸入端進(jìn)入，接著分成0度和90度相位，經(jīng)過(guò)放大器內(nèi)的載波和峰值路徑后，最后再組合起來(lái)形成輸出信號(hào)。本質(zhì)上是通過(guò)管理相位和幅度實(shí)現(xiàn)了更高的效率。

圖2：Doherty功放采用了由一個(gè)AB類(lèi)載波放大器和一個(gè)C類(lèi)峰值放大器組成的雙路徑架構(gòu)。

這種架構(gòu)有一個(gè)輸出組合網(wǎng)絡(luò)，允許載波放大器看到更高的阻抗，從而在回退條件下可以經(jīng)歷更高的電壓擺幅。通過(guò)在這些條件下向載波放大器顯示更高的阻抗，載波放大器可以使用可用的電壓余量，工作時(shí)可更接近飽和。Doherty放大器還能在回退條件下保持C類(lèi)峰值放大器處于關(guān)斷狀態(tài)。隨著功率開(kāi)始向峰值功率轉(zhuǎn)變，峰值放大器開(kāi)始導(dǎo)通，輸出Doherty網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始經(jīng)歷負(fù)載調(diào)制。載波放大器隨即見(jiàn)到比在后退狀態(tài)下呈現(xiàn)的高阻抗更低的阻抗。

在Doherty結(jié)構(gòu)中，有多個(gè)元件使得放大器同時(shí)具有頻率和制造敏感特性。輸出負(fù)載匹配變壓器是一個(gè)四分之一波傳輸線段，具有35Ω的特征阻抗。載波放大器和峰值放大器之間的阻抗反轉(zhuǎn)器是另一個(gè)四分之一波傳輸線段，具有50Ω的特征阻抗。這些變壓器都對(duì)頻率敏感，并與峰值和載波放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接在一起。另外，用于優(yōu)化每個(gè)放大器輸出端阻抗的偏置線也具有頻率敏感特性。

當(dāng)Doherty是針對(duì)比如9dB的高峰均比值設(shè)計(jì)時(shí)，一般使用不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，峰值放大器比載波放大器更大。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的非對(duì)稱(chēng)性Doherty實(shí)現(xiàn)，輸入驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的控制和相位平衡變得尤其重要。

Doherty放大器優(yōu)化挑戰(zhàn)

任何接受過(guò)為無(wú)線基站發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)Doherty功率放大器(PA)任務(wù)的人都可以證明挑戰(zhàn)來(lái)自于Doherty放大器的優(yōu)化。表現(xiàn)為制造和頻率敏感性，每個(gè)模塊的人工調(diào)整，分立元件及它們自身的差異，更不用說(shuō)優(yōu)化后靈活性的缺乏了。對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，這是一種非常耗時(shí)的挑戰(zhàn)，而時(shí)間本身也是一種投資成本。

Doherty架構(gòu)的載波和峰值路徑之間相位與幅度的任何失配或不重合都將很快導(dǎo)致更高的成本和總體性能的劣化。如果載波放大器和峰值放大器沒(méi)有處于同步狀態(tài)，那么最終輸出將達(dá)不到設(shè)計(jì)的輸出性能。今天，大多數(shù)宏蜂窩射頻工程師通過(guò)使用分立元件調(diào)整每條載波和峰值路徑的相位與幅度來(lái)管理這種復(fù)雜性。但分立元件本身就具有制造差異。例如，0402或0603表貼元件很容易改變，特別是較低容量的電容。即使工程師使用基于某類(lèi)傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò)，電容值的變化也可能高達(dá)20%，對(duì)于任何微帶層來(lái)說(shuō)都是這樣。隨著工程師為了更高帶寬而優(yōu)化放大器，這些差異將侵吞余量，并使得Doherty功放更容易受制造變化的影響，因?yàn)樗焐哂蓄l率敏感性。

使用分立元件是一種成熟的方法，它能使材料清單(BOM)的成本降低。但另一方面，這種方法需要實(shí)實(shí)在在的工程時(shí)間和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，因?yàn)閮?yōu)化是人工作業(yè)，而且工作量很大。工程師必須確定分立元件的值，以及如何將它們放到電路板上去。另外，一旦分立元件安裝在電路板上，就沒(méi)有靈活性了，無(wú)法為未預(yù)料到的功率晶體管變化做出改變。射頻工程師也將無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化相位和幅度。

Peregrine公司的單片射頻控制器——UltraCMOS MPAC

2014年6月，Peregrine公司推出了業(yè)界首個(gè)單片射頻解決方案MPAC，用于優(yōu)化Doherty功放的性能。基于Peregrine公司UltraCMOS技術(shù)構(gòu)建的MPAC能夠獨(dú)立地調(diào)整載波和峰值路徑上的相位和幅度。這種單芯片系統(tǒng)集成了1個(gè)數(shù)字串行外設(shè)接口(SPI)、2個(gè)移相器、2個(gè)數(shù)字分級(jí)衰減器和1個(gè)90度分離器(避免了采用分立元件)。針對(duì)每個(gè)不同的路徑，MPAC向工程師提供了調(diào)整相位和幅度的最大靈活性，允許他們通過(guò)SPI接口調(diào)整載波和峰值路徑。

MPAC取消了多種分立元件，可以幫助無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商提高系統(tǒng)性能、降低成本、提高總體產(chǎn)品可靠性，并為基于LDMOS(橫向擴(kuò)散的金屬氧化物半導(dǎo)體)或GaN(氮化鎵)的Doherty功放提供最大的調(diào)整靈活性。

利用每個(gè)路徑87.2°的寬相移范圍和2.8°的精細(xì)步距，MPAC可以提供65dBm IIP3的高線性度和300μA的超低功耗。另外，它支持31dBm的峰值輸入射頻功率，并具有30dB的高端口到端口隔離度。借助2.8o最低有效位(LSB)的5位代碼掃描功能，MPAC的單路徑相對(duì)相位具有很好的精度，并能在整個(gè)射頻頻率范圍內(nèi)保持單調(diào)變化特性，如圖3所示。

圖3：MPAC的單路徑相對(duì)相位在整個(gè)射頻頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的單一趨勢(shì)。

由于MPAC是在UltraCMOS單片裸片上創(chuàng)建的，射頻工程師可以自信地信任UltraCMOS工藝的均勻性和制造可靠性。只有UltraCMOS技術(shù)能夠支持智能集成——這是GaAs技術(shù)永遠(yuǎn)無(wú)法企及的。如果類(lèi)似MPAC的解決方案采用任何其它技術(shù)，如GaAs，結(jié)果將是由無(wú)數(shù)綁定線連接在一起的多芯片模塊。另外，UltraCMOS技術(shù)具有1kV的卓越靜電放電性能，高達(dá)105℃的擴(kuò)展溫度范圍，以及從2.7V~5.5V的寬電源范圍。

PE46120是MPAC系列中的首款產(chǎn)品(圖4)，其覆蓋的頻率范圍是從1.8GHz到2.2GHz。MPAC產(chǎn)品系列計(jì)劃覆蓋所有蜂窩頻段。

圖4：PE46120目前正在向選定客戶(hù)提供樣品，是MPAC系列中的首款產(chǎn)品。

本文小結(jié)

雖然本文主要討論的是將MPAC用于Doherty放大器，但值得注意的是，MPAC也可以用于優(yōu)化其它雙路徑、動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)制的放大器架構(gòu)性能，如LINC和Chireix放大器。另外，MPAC還可以用于前饋放大器、波束成型網(wǎng)絡(luò)和雙路極化校準(zhǔn)/產(chǎn)生應(yīng)用中的矢量產(chǎn)生目的。

總之，Peregrine公司的UltraCMOS MPAC有效地解決了工程師在Doherty功放優(yōu)化時(shí)普遍面臨的挑戰(zhàn)。借助MPAC的強(qiáng)大功能，工程師不必再去人工調(diào)整每個(gè)模塊、使用多個(gè)分立元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而解決了不靈活的設(shè)計(jì)問(wèn)題。MPAC有助于實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單易用的Doherty放大器——一個(gè)除了無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)以外還能用于其它未曾預(yù)料到的市場(chǎng)和機(jī)會(huì)的放大器。