基于簡單功率跟蹤技術(shù)的射頻功率放大器效率優(yōu)化

高數(shù)據(jù)速率的需求推動著移動通信系統(tǒng)從 2G 向 3G 遷移。這些系統(tǒng)中更高的數(shù)據(jù)速率為移動電話射頻設(shè)計增加了更多的性能和規(guī)格要求。

為了在所占用頻段上實現(xiàn)最高的頻寬效率，第三代移動通信系統(tǒng)采用了提高頻譜利用效率的線性調(diào)制方式，如正交相移鍵控、8 相移鍵控和正交幅度調(diào)制等。

這些非固定的包絡(luò)調(diào)制方法要求在傳輸路徑中使用線性射頻功率放大器，以保持良好的鄰道功率抑制比率（ACPR）和誤差向量調(diào)制（EVM）特性。CDMA 使用的典型線性射頻功率放大器采用 A 類結(jié)構(gòu)，以滿足線性度的要求。教科書上的 A 類放大器在 1dB 壓縮點時的效率約為 30%。A 類放大器工作在低于 1dB 壓縮點時其功率效率會下降。

在 IS-95 和 CDMA2000 系統(tǒng)中，射頻功率放大器一般工作在距峰值功率或 1dB 壓縮點 6dB 至 40dB 的回退點(back off)。（這意味著它工作在 1dB 壓縮點以下 6dB 至 40dB。）因此，射頻功率放大器大多數(shù)時間處于極低效率狀態(tài)。然而，射頻功率放大器是手機中最大的功耗部件。研究表明，在常規(guī)手機應(yīng)用中，射頻功率放大器消耗的電量占全部功耗的 20% 至 40%。

所以，我們知道降低射頻功耗的極端重要性，只有這樣才能實現(xiàn)更長的手機電池壽命，或更久的通話時間。

本文給出了一種簡單的功率跟蹤技術(shù)，用于提高射頻功率放大器的效率。該技術(shù)采用了一個 dB 線性 RF 功率檢測器, LMV225, 和一個直流-直流變換器開關(guān)。這種經(jīng)改進的方法可通過一個直流-直流變換器，在兩個不同輸出功率級上切換射頻功率放大器的 DC 供電電壓（VCC）。射頻功率檢測器 LMV225可確定射頻功率放大器的供電電壓。現(xiàn)成的 CDMA2000 射頻功率放大器可以采用這種技術(shù)提高手機的能量效率。

射頻功率放大器

射頻功率放大器是此類應(yīng)用的核心。射頻功率放大器與直流-直流變換器一起組成功率放大器的效率改進電路。SKY77152 是市場上很常見的 CDMA2000 射頻功率放大器產(chǎn)品。根據(jù)它的產(chǎn)品規(guī)格書，在 1dB 壓縮點附近，它可以有 40% 以上的功率增加效率, PAE。

CDMA 射頻功率放大器通常有兩個供電電壓接腳，VCC 和 VBIAS，如圖 1 所示。另外還有一個參考電壓接腳，通常稱為 VREF。任何情況下 VREF 都必須是 2.85V。可以用將 VREF 置為地電平的辦法關(guān)斷功率放大器。大多數(shù) CDMA 射頻功率放大器都有兩種工作模式：高功率模式和低功率模式，可用VCONT接腳設(shè)置功率放大器的工作模式。當(dāng)射頻輸出信號為高電平時，CDMA 射頻功率放大器需要工作在高功率模式，以保持恰當(dāng)?shù)氖д嫘阅?。如果輸出信號電平相對較低，則可以將 CDMA RF 功率放大器切換至低功率模式。但是，這種切換有個副作用，即兩條訊號路徑的相移不同。這可能會造成基頻處理與校正的問題。

圖 2 是當(dāng)直流供電電壓 VCC 和 VBIAS 均被降低時，CDMA射頻功率放大器的典型 POUT 與 PIN 特性。圖中顯示，可以采用降低射頻功率放大器直流供電電壓的方法獲得輸出射頻功率。

功率增加效率

直流至射頻效率（或稱功率增加效率，PAE）定義如下：

盡管所有射頻功率放大器廠家都以功率放大器在最大輸出功率的峰值直流至射頻效率作規(guī)格，但實際上射頻功率放大器自身很少工作在這種峰值功率級上。而在手機應(yīng)用中，高峰值功率在散發(fā)熱方面有很重要的地位。另一方面，當(dāng)輸出射頻功率較低時，射頻功率放大器的 PAE 也會下降。

在電池供電的手機中，輸出射頻功率的概率分布（如圖 3 所示）應(yīng)被用作估算移動系統(tǒng)的平均效率來。這個平均效率表示了移動系統(tǒng)在實際工作中將電池能量轉(zhuǎn)換為可用發(fā)射功率的能力。

如圖 3 所示，大多數(shù)時候，IS-95手機的射頻功率放大器的輸出功率為少于 POUT = +15dBm。因此，在小信號級下提高射頻功率放大器的 PAE 就很有意義。

公式 1 和公式 2 中顯示出一種構(gòu)想：通過降低射頻功率放大器的供電電壓VCC，即可以減少直流功耗 PDC。

看來提高射頻功率放大器的 PAE 似乎是件非常簡單的事，但是，在降低射頻 功率放大器供電電壓時，需要考慮幾個重要規(guī)格。它們包括 ACPR，EVM 以及從一個供電電壓轉(zhuǎn)換到另一個電壓的轉(zhuǎn)換時間。

鄰道功率抑制比率

鄰道功率抑制比率（即 ACPR）定義為某個偏移頻率的平均功率與傳輸頻率的平均功率之比。表 1 顯示 CDMA2000的性能要求。雖然 IS-95 或 IS-98 的空中介面對 ACPR 沒有像 CDMA2000 那樣的正式要求，但仍然建議手機射頻設(shè)計者檢查自己的設(shè)計是否滿足表 1 的規(guī)格。不良的 ACPR 值表示傳輸路徑的線性不足，因此，射頻信號在進入基站的接收機之前會失真。

表1: 鄰道功率抑制比率(ACPR)

空中介面

頻率

頻寬

偏移頻率@ ACPR1

偏移頻率@ ACPR2

Measurement Resolution Bandwidth

IS-95

824-849MHz

1.25MHz

±885KHz

±1.98MHz

30KHz

PCS

1850-1910MHz

1.25MHz

±1.25MHz

±1.98MHz

30KHz

ACPR1=-42dBc And ACPR2=-54dBc