基于專用LDMOS器件實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱Doherty放大器的應(yīng)用設(shè)計(jì)

引言

通用對(duì)稱Doherty放大器現(xiàn)已在蜂窩基站中廣泛使用。設(shè)備生產(chǎn)商采用最初為AB類準(zhǔn)線性應(yīng)用設(shè)計(jì)的常規(guī)器件，證明了解決方案的可行性和線性化特征。下一步將是改進(jìn)這些解決方案。設(shè)備生產(chǎn)商應(yīng)當(dāng)提供專用組件，以提高性能，改善使用便利性，降低放大器級(jí)的成本。

飛思卡爾半導(dǎo)體針對(duì)2.11GHz~2.17GHz頻段的3G市場(chǎng)推出的方案是，提供包含兩個(gè)專用LDMOS器件的芯片集，用于非對(duì)稱Doherty拓?fù)洹Ｔ摲糯笃鞯哪繕?biāo)是要實(shí)現(xiàn)56dBm的峰值功率，以便在放大器輸出實(shí)現(xiàn)50W~60W的平均功率，并提供適當(dāng)余量以使用當(dāng)前的3G信號(hào)：峰均功率比 （PAR）在6dB~7dB之間的兩個(gè)WCDMA載頻。

現(xiàn)有設(shè)計(jì)要與更高性能的放大器之間實(shí)現(xiàn)平滑過渡，必須采用下列設(shè)計(jì)選項(xiàng)：在載頻和峰值器件之間應(yīng)用1dB非對(duì)稱電平，優(yōu)化內(nèi)部匹配網(wǎng)絡(luò)來允許寬帶放大器設(shè)計(jì)（是規(guī)定帶寬的3倍）。此外，為提高視頻帶寬（VBW），減少對(duì)存儲(chǔ)器的影響，抑制調(diào)整和簡(jiǎn)化放大器設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)場(chǎng)工作，專門設(shè)計(jì)了特定偏置電路，集成在晶體管中。

綜合偏置法

AB類偏置電路是為了給RF晶體管柵極提供一個(gè)電壓，以固定靜電流（Idq）。為實(shí)現(xiàn)這一目的，必須在帶RF晶體管的相同芯片上集成小型參考晶體管，并在其里面注入靜電流刻度值。該參考的柵壓復(fù)制到RF晶體管柵極。在參考和RF晶體管之間插入一個(gè)緩沖器，以視頻頻率提供很低的阻抗，從而抑制任何外部柵極解耦。緩沖器電壓直接從RF晶體管（Vdd）的漏極中獲取。此類配置提供理想的、非?？焖俚臒嵫a(bǔ)償，這在外部是不能實(shí)現(xiàn)的。

圖1所示為偏置電路的電氣示意圖。

圖1 偏置電路電氣示意圖

在Doherty中，載流子（主）放大器使用AB類偏置，峰值（從）放大器將使用C類偏置。設(shè)置峰值偏置的常用方法是，評(píng)估AB類柵壓，然后應(yīng)用固定的電壓增量來控制峰值開始出現(xiàn)的點(diǎn)。C類偏置由原來的AB類偏置電路演變而來，AB類設(shè)置通常在內(nèi)部是固定的，Vdelta 是唯一可外部控制的。在這兩個(gè)偏置電路中，可輕松發(fā)現(xiàn)它們還提供流程補(bǔ)償，在生產(chǎn)中不需要任何調(diào)整。

載流子和峰化晶體管

載流子和峰化晶體管設(shè)計(jì)用于滿足綜合偏置電路的要求，同時(shí)允許寬頻匹配和高阻抗。圖2所示為一個(gè)載流子晶體管的內(nèi)部示意圖，其中活動(dòng)芯片包括RF晶體管、偏置電路和輸入預(yù)匹配元素。

圖2 載流子（主）晶體管示意圖

輸入口添加了系列電容器，以便將柵壓與外部控制電壓隔開，從而允許使用常規(guī)的2引腳封裝。輸出預(yù)匹配基于一個(gè)2小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高阻抗和寬帶功能。

峰值晶體管基于相同技術(shù)，只不過它采用C類偏置電路。預(yù)匹配單元只需略微修改，就能適應(yīng)載流子和峰化器件（1dB）之間柵極外設(shè)的不同。峰值晶體管內(nèi)部示意圖如圖3所示。

圖3 峰值（從）晶體管示意圖

與占用幾乎相同硅面積的載流子芯片相比，峰值芯片由于利用Doherty操作中峰值晶體管功耗更低這一優(yōu)勢(shì)，因而密度更緊湊。因此，兩個(gè)晶體管可采用相同的封裝。以這兩款晶體管為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了單體放大器，并從RF和DC的角度驗(yàn)證了其性能。功耗為1dB時(shí)，載流子晶體管的功率為160W，而峰值晶體管的功率為200W。兩個(gè)偏置電路的熱補(bǔ)償在AB類中幾乎都非常理想（峰值晶體管用Vdelta=0V來測(cè)試）。值得注意的是，LDMOS晶體管里門限電壓的熱系數(shù)與電流有關(guān)。AB類和C類中需要應(yīng)用不同的系數(shù)。

非對(duì)稱Doherty設(shè)計(jì)

最終采用兩個(gè)晶體管的Doherty放大器使用了Wilkinson輸入分配器，該分配器當(dāng)然是非對(duì)稱的，而輸出合成器是一個(gè)使用四分之一波長(zhǎng)變壓器（非對(duì)稱電平為1dB）的常規(guī)設(shè)備。PCB材料是來自Taconic的RF35，其絕緣厚度是0.51mm（20mils），足以滿足業(yè)內(nèi)當(dāng)前使用的PCB的要求。

圖4所示為載頻放大器拓?fù)鋱D。

圖4 載頻放大器圖

此處顯示的簡(jiǎn)單柵極DC偏置網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)1kΩ的串聯(lián)電阻器，因?yàn)镮C里集成了所有必須的低頻解耦電容器。

CW測(cè)量結(jié)果

Doherty放大器測(cè)量首先在小信號(hào)下的CW中執(zhí)行，在矢量網(wǎng)絡(luò)分析器（VNA）上提供快速掃頻。

圖5所示為寬帶響應(yīng)曲線，允許對(duì)放大器進(jìn)行“全面檢查”。

圖5 寬帶S參數(shù)

該放大器采用AB類偏置，在1dB壓縮點(diǎn)時(shí)可提供55dBm（315W）功率，3dB壓縮點(diǎn)時(shí)提供56dBm（400W）功率。Doherty運(yùn)行的優(yōu)化策略現(xiàn)在變?yōu)檎{(diào)整峰值偏置，實(shí)現(xiàn)在55dBm功率時(shí)獲得3dB壓縮點(diǎn)。圖6所示為整個(gè)UMTS頻段的功率掃描結(jié)果。

圖6 增益和漏極效率，CW功率掃描

Doherty的影響可從增益和效率曲線圖上看到。注意，由于測(cè)試臺(tái)限制，效率不能通過快速功率掃描測(cè)得，而需要通過純CW信號(hào)測(cè)得，這正好可以解釋曲線右側(cè)末端缺失的原因（消耗的功率太高）?，F(xiàn)在已經(jīng)在各種溫度上進(jìn)行了測(cè)量，如圖7所示，熱補(bǔ)償基本上比較理想。

圖7 增益和輸出電壓，溫度補(bǔ)償結(jié)果

這證明集成偏置電路的功能能夠滿足AB類和C類操作的需求，并且能夠讓熱系數(shù)適應(yīng)這個(gè)偏置水平。

視頻帶寬對(duì)3G放大器很重要。為了使自適應(yīng)預(yù)失真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的線性，放大器需要正確放大調(diào)制信號(hào)，提供比應(yīng)用的初始信號(hào)更寬的頻帶。事實(shí)上，放大器輸入處出現(xiàn)的額外失真有望抵消輸出生成的失真，頻帶超出初始頻帶數(shù)倍。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是支持帶兩個(gè)載頻的WCDMA應(yīng)用，間隔為5MHz，這意味著信號(hào)頻率需要為 10MHz左右，而VBW的目標(biāo)是40MHz。如圖8所示，在常規(guī)雙音調(diào)測(cè)試中，共鳴的頻率大約為60MHz。

圖8 雙音調(diào)測(cè)試，視頻帶寬

這一限制來自漏極饋線與晶體管內(nèi)部電容器的共鳴（Cd以及匹配元素）。輸入產(chǎn)生的影響無法觀察。因?yàn)榧善玫木壒剩ǜ鶕?jù)模擬所做的估算），可以假定 100MHz以上的頻率產(chǎn)生影響。總之，當(dāng)UMTS波段達(dá)到28V時(shí)，CW可實(shí)現(xiàn)下列性能：56dBm峰值功率，8dB時(shí)可從峰值功率中獲得17dB增益，8dB時(shí)可從峰值功率中實(shí)現(xiàn)42%的效率，VBW=60MHz（共鳴）。

綜合信號(hào)結(jié)果

評(píng)估的第二部分是復(fù)雜的信號(hào)測(cè)量。測(cè)試使用的信號(hào)是2個(gè)WCDMA載頻，采用5MHz為間隔并進(jìn)行削波，以使PAR=6.5dB。所有測(cè)量都是在 2.14GHz頻率時(shí)完成的，其中Vdd=28V，測(cè)試臺(tái)上配置有數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真器。該設(shè)備專用于提供關(guān)于Doherty線性化和可實(shí)現(xiàn)的最大性能的信息。

圖9所示為數(shù)字預(yù)失真（DPD）之前和之后的鄰信道功率（ACP）和輸出平均功率之比。

圖9 調(diào)制信號(hào)測(cè)試，2載頻WCDMA ACP

可以看到，在功率高達(dá)49.5dBm時(shí)，線性化能夠刪除幾乎所有失真。高于這個(gè)電平就不可能了。49.5dBm（90W）是放大器開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行削波的電平，這意味著此電平的輸出峰值功率會(huì)上升為56dBm（49.5dBm+6.5dB）。 這與前面的CW測(cè)量有密切的關(guān)系。

還有一個(gè)非常有意思的現(xiàn)象，即線性化曲線在49.5dBm時(shí)出現(xiàn)明顯的“拐彎”。這意味著，在信號(hào)飽和并發(fā)生削波之前，放大器不會(huì)生成難以消除的失真或?qū)Υ鎯?chǔ)器造成較大的影響。為了對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)圖10進(jìn)行觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)線性化后輸出信號(hào)的PAR幾乎是在50dBm時(shí)獲得的，這也確認(rèn)了放大器的飽和功率電平。

圖10 調(diào)制信號(hào)測(cè)試，2個(gè)載頻WCDMA 的PAR和效率

注意，在這個(gè)功率電平上（49.5dBm/90W），效率是44%，相當(dāng)于比該功率電平的常規(guī)對(duì)稱Doherty提高了2~3個(gè)百分點(diǎn)?？傊?，與兩個(gè) WCDMA載頻和28V/2.14GHz的6.5dB PAR相比，此處可實(shí)現(xiàn)的性能包括：最大平均功率49.5dBm（90W）；在49.5dBm時(shí)完成線性化后，ACP達(dá)到-55dBc；49.5dBm時(shí)效率為44%。

結(jié)語

使用飛思卡爾兩個(gè)專用LDMOS器件，可構(gòu)建簡(jiǎn)單而高效的非對(duì)稱Doherty放大器，并達(dá)到400W的峰值功率。載流子和峰值晶體管包含的集成偏置允許抑制偏置調(diào)整，從而簡(jiǎn)化柵極饋線，提供高視頻帶寬，同時(shí)確保幾近理想的熱補(bǔ)償。所選的非對(duì)稱電平（1dB）級(jí)別可以將Doherty的效率提高2~3個(gè)百分點(diǎn)。演示器顯示在利用2個(gè)WCDMA載頻和6.5dB PAR進(jìn)行線性化后，峰值功率可達(dá)到56dBm，平均功率達(dá)到49.5dBm（90W）（包括17dB增益），效率為44%，ACP為55dBc 。根據(jù)能確?；痉糯笃魃a(chǎn)性能的余量，可估算這款Doherty產(chǎn)品在 47dBm（56W）與48dBm（63W）之間的功率電平時(shí)能達(dá)到40%左右的效率。具體情況將視系統(tǒng)顯示和線性化程度而定。

責(zé)任編輯：gt