【無線射頻芯片】-利用RF包絡(luò)檢波實(shí)現(xiàn)漏極調(diào)制系統(tǒng)

1/1利用RF包絡(luò)檢波實(shí)現(xiàn)漏極調(diào)制系統(tǒng)無線設(shè)備行業(yè)竭力削減設(shè)備的成本、尺寸和功耗，而提上升功率放大器的功率附加效率(PAE)仍舊是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。目前有多種技術(shù)正在研發(fā)之中。大多數(shù)狀況下，任何技術(shù)的商業(yè)化都將取決于能否開發(fā)出突破性的技術(shù)。本文主要爭論用來提高PAE的一些技術(shù)以及支持該技術(shù)的一些RF信號(hào)處理模塊。

峰均比

圖1所示為一個(gè)20MHz帶寬正交頻分多路復(fù)用(OFDM)信號(hào)的時(shí)間包絡(luò)。該信號(hào)包括大量碼元速率相對較低的正交QAM調(diào)制子載波。基于OFDM的無線傳輸正變得越來越流行，部分緣由是低碼元速率的子載波對衰落相對不敏感。它目前用于無線LAN和WiMax系統(tǒng)，將來也會(huì)用于下一代長期演進(jìn)(LTE)移動(dòng)數(shù)據(jù)和語音系統(tǒng)。高級(jí)OFDM系統(tǒng)允許子載波的調(diào)制隨著工作和環(huán)境條件的轉(zhuǎn)變而變化。例如，假如一個(gè)用戶位于小區(qū)的邊緣，系統(tǒng)可能打算用正交相移鍵控方法來調(diào)制子載波，這就需要相對較低的信噪比，才能勝利進(jìn)行解調(diào)。其代價(jià)是數(shù)據(jù)速率相對較低。另一方面，假如用戶靠近小區(qū)中心并需要高數(shù)據(jù)速率，則可以放射更高階調(diào)制子載波，從而帶來更高的數(shù)據(jù)速率。

圖1.20MHz帶寬正交頻分多路復(fù)用(OFDM)載波的時(shí)間包絡(luò)。

更高階QAM信號(hào)（如64-QAM和128-QAM）具有高峰均比，而OFDM信號(hào)可以輕松包括1024個(gè)子載波，因此OFDM信號(hào)的峰均比也很高。圖1清晰地顯示了這一點(diǎn)。從圖1中還可以看到，該信號(hào)也有一些深谷。因此，雖然一般是爭論峰均比，但稍后我們會(huì)看到，當(dāng)設(shè)計(jì)更高效率的功率放大器時(shí)，信號(hào)的峰值最小值比（可能達(dá)到40dB）也具有重要意義。

圖2顯示了一個(gè)功率放大系統(tǒng)的最基本框圖。供應(yīng)給負(fù)載的電流由高功率放大器(HPA)電源（本例中為4V）發(fā)出。有效值輸出信號(hào)具有有效值電平(VRMS)和峰值電平(VPEAK)。為獲得良好的信號(hào)保真度，輸出信號(hào)與電源之間必需存在足夠的裕量，使得信號(hào)波峰不會(huì)被削波。

圖2.高峰均比信號(hào)的功率放大

這一裕量要求導(dǎo)致該系統(tǒng)存在效率低下的弱點(diǎn)。假如信號(hào)具有高峰均比，則電源必需偏置以支持峰值電平，有效值而不是有效值電平。

假設(shè)輸出有效值有效值電平為1Vrms，并且信號(hào)的峰均比為4，即12dB。這意味著，信號(hào)的峰值為4V，峰到峰擺幅為8V。因此，系統(tǒng)的肯定最小電源電壓可能是4V（單電源系統(tǒng)則為8V）。供應(yīng)給負(fù)載的功率等于20mW(1Vx1V/50)，負(fù)載電流等于20mA。然而，電源供應(yīng)的功率等于80mW(4Vx20mA)。因此，效率只有25%(100x(20mW/80mW))。

雖然上例并不能真正代表一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，但它的確說明傳輸高峰均比信號(hào)自然會(huì)降低功率放大系統(tǒng)的效率。

漏極調(diào)制

圖3顯示了一個(gè)嘗試解決上述裕量問題的替代功率放大方案。本例中，輸入信號(hào)分為兩部分。一部分信號(hào)是受限的，即放大到飽和狀態(tài)，但其相位信息保持不變。另一部分信號(hào)則施加于一個(gè)包絡(luò)檢波器，然后利用包絡(luò)檢波器的輸出來調(diào)制PA的電源，這樣可以確保PA的偏置電壓僅在需要時(shí)才變?yōu)楦唠妷?，從而顯著節(jié)約常備功率，提高電源效率。

圖3.包絡(luò)消退與恢復(fù)或漏極調(diào)制

這樣的系統(tǒng)通常稱為包絡(luò)消退與恢復(fù)(EER)或漏極調(diào)制（其中"漏極'指功率FET晶體管的漏極），要實(shí)現(xiàn)它并不簡單，包絡(luò)路徑中存在特別艱難的挑戰(zhàn)。對于帶寬為20MHz的載波，其包絡(luò)帶寬也是20MHz。這意味著，為了避開相位延遲，包絡(luò)檢波器和PA電源的帶寬至少必需與20MHz一樣快，可能需要比20MHz快得多。對于需要供應(yīng)數(shù)十或數(shù)百瓦功率的電源，其難度特別大。迄今為止，漏極調(diào)制主要用于帶寬只需數(shù)百KHz的窄帶系統(tǒng)，例如單載波GSM-EDGE手機(jī)傳輸?shù)取?/p>

包絡(luò)檢波技術(shù)的最新進(jìn)展有助于將這一架構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。圖4所示為ADI公司最近發(fā)布的TruPWRRMS和包絡(luò)檢波器ADL5511的功能框圖。

ADL5511通過一路RF輸入供應(yīng)兩路獨(dú)立的輸出。VRMS引腳的電壓相當(dāng)于輸入信號(hào)的RMS電壓（放大3倍）。VENV引腳的電壓相當(dāng)于輸入信號(hào)的包絡(luò)。VENV輸出參考EREF輸出供應(yīng)的1.1V固定電壓。讓包絡(luò)輸出電壓參考非零值可以確保凈包絡(luò)電壓(VENV-VEREF)的擺幅可以始終達(dá)到0V，并且失調(diào)電壓誤差特別低。

圖4.ADL5511功能框圖

ADL5511支持-25dBm至+15dBm的輸入功率水平，即動(dòng)態(tài)范圍為40dB。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，RMS和包絡(luò)輸出的精度為0.25dB。該檢波器還能在1MHz至4GHz的寬輸入頻率范圍工作，而不需要外部巴倫或外部電抗性匹配。

通過ADL5511的包絡(luò)延遲已降至小于5nS的最低水平。因此，要傳輸?shù)男盘?hào)與漏極調(diào)制包絡(luò)能夠保持精密同步，而不需要使用長延遲線。

除了漏極調(diào)制以外，PA設(shè)計(jì)人員還可以利用VRMS和VENV輸出及外部峰值保持運(yùn)放電路來計(jì)算輸入信號(hào)的峰均比。此外，也可以利用ADI公司內(nèi)置峰值保持電路的RMS和包絡(luò)檢波器ADL5502來測量峰均比。

圖5.ADL5511的包絡(luò)和rms響應(yīng)圖

圖5顯示了ADL5511的RMS和包絡(luò)輸出對單個(gè)寬帶碼分多址(WCDMA)載波的響應(yīng)。黃色實(shí)線表示W(wǎng)CDMA載波。藍(lán)色線表示器件的VENV輸出。碼片速率為3.84MHz，WCDMA信號(hào)的載波帶寬也是3.84MHz。由于ADL5511包絡(luò)輸出的帶寬約為80MHz，因此VENV輸出能夠精確地追隨快速變化的包絡(luò)。此外，該檢波器的40dB檢波范圍（適用于RMS和包絡(luò)兩路輸出）能夠確保捕獲到信號(hào)的峰值和谷值。

圖5還顯示了一條直線（粉紅色），有效值它表示輸入信號(hào)的有效值電壓（放大1.5倍）。該輸出信號(hào)由連接到FLT4引腳的RMS均值電容(1F)進(jìn)行平均。雖然此電容大大延緩了有效值輸出的響應(yīng)時(shí)間，但它對包絡(luò)輸出的響應(yīng)無任何影響。

總結(jié)

通過供