面向3G基站的基于专用晶体管(带综合偏置)的非对称Doherty技

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<strong>引言</strong>

通用对称Doherty放大器现已在蜂窝基站中广泛使用。设备生产商采用最初为AB类准线性应用设计的常规器件，证明了解决方案的可行性和线性化特征。下一步将是改进这些解决方案。设备生产商应当提供专用组件，以提高性能，改善使用便利性，降低放大器级的成本。

飞思卡尔半导体针对2.11GHz~2.17GHz频段的3G市场推出的方案是，提供包含两个专用LDMOS器件的芯片集，用于非对称Doherty拓扑。该放大器的目标是要实现56dBm的峰值功率，以便在放大器输出实现50W~60W的平均功率，并提供适当余量以使用当前的3G信号：峰均功率比 (PAR)在6dB~7dB之间的两个WCDMA载频。

现有设计要与更高性能的放大器之间实现平滑过渡，必须采用下列设计选项：在载频和峰值器件之间应用1dB非对称电平，优化内部匹配网络来允许宽带放大器设计(是规定带宽的3倍)。此外，为提高视频带宽(VBW)，减少对存储器的影响，抑制调整和简化放大器设计人员的现场工作，专门设计了特定偏置电路，集成在晶体管中。

<strong>综合偏置法</strong>

AB类偏置电路是为了给RF晶体管栅极提供一个电压，以固定静电流(Idq)。为实现这一目的，必须在带RF晶体管的相同芯片上集成小型参考晶体管，并在其里面注入静电流刻度值。该参考的栅压复制到RF晶体管栅极。在参考和RF晶体管之间插入一个缓冲器，以视频频率提供很低的阻抗，从而抑制任何外部栅极解耦。缓冲器电压直接从RF晶体管(Vdd)的漏极中获取。此类配置提供理想的、非常快速的热补偿，这在外部是不能实现的。

图1所示为偏置电路的电气示意图。


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2009-12-2 11:54:26 上传
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图1 偏置电路电气示意图

在Doherty中，载流子(主)放大器使用AB类偏置，峰值(从)放大器将使用C类偏置。设置峰值偏置的常用方法是，评估AB类栅压，然后应用固定的电压增量来控制峰值开始出现的点。C类偏置由原来的AB类偏置电路演变而来，AB类设置通常在内部是固定的，Vdelta 是唯一可外部控制的。在这两个偏置电路中，可轻松发现它们还提供流程补偿，在生产中不需要任何调整。

<strong>载流子和峰化晶体管</strong>

载流子和峰化晶体管设计用于满足综合偏置电路的要求，同时允许宽频匹配和高阻抗。图2所示为一个载流子晶体管的内部示意图，其中活动芯片包括RF晶体管、偏置电路和输入预匹配元素。


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图2 载流子(主)晶体管示意图

输入口添加了系列电容器，以便将栅压与外部控制电压隔开，从而允许使用常规的2引脚封装。输出预匹配基于一个2小区的网络，同时实现高阻抗和宽带功能。

峰值晶体管基于相同技术，只不过它采用C类偏置电路。预匹配单元只需略微修改，就能适应载流子和峰化器件(1dB)之间栅极外设的不同。峰值晶体管内部示意图如图3所示。


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图3 峰值(从)晶体管示意图

与占用几乎相同硅面积的载流子芯片相比，峰值芯片由于利用Doherty操作中峰值晶体管功耗更低这一优势，因而密度更紧凑。因此，两个晶体管可采用相同的封装。以这两款晶体管为基础设计了单体放大器，并从RF和DC的角度验证了其性能。功耗为1dB时，载流子晶体管的功率为160W，而峰值晶体管的功率为200W。两个偏置电路的热补偿在AB类中几乎都非常理想(峰值晶体管用Vdelta=0V来测试)。值得注意的是，LDMOS晶体管里门限电压的热系数与电流有关。AB类和C类中需要应用不同的系数。

<strong>非对称Doherty设计</strong>

最终采用两个晶体管的Doherty放大器使用了Wilkinson输入分配器，该分配器当然是非对称的，而输出合成器是一个使用四分之一波长变压器(非对称电平为1dB)的常规设备。PCB材料是来自Taconic的RF35，其绝缘厚度是0.51mm(20mils)，足以满足业内当前使用的PCB的要求。

图4所示为载频放大器拓扑图。


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图4 载频放大器图

此处显示的简单栅极DC偏置网络包括一个1kΩ的串联电阻器，因为IC里集成了所有必须的低频解耦电容器。

<strong>CW测量结果</strong>

Doherty放大器测量首先在小信号下的CW中执行，在矢量网络分析器(VNA)上提供快速扫频。

图5所示为宽带响应曲线，允许对放大器进行“全面检查”。


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图5 宽带S参数

该放大器采用AB类偏置，在1dB压缩点时可提供55dBm(315W)功率，3dB压缩点时提供56dBm(400W)功率。Doherty运行的优化策略现在变为调整峰值偏置，实现在55dBm功率时获得3dB压缩点。图6所示为整个UMTS频段的功率扫描结果。


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图6 增益和漏极效率，CW功率扫描

Doherty的影响可从增益和效率曲线图上看到。注意，由于测试台限制，效率不能通过快速功率扫描测得，而需要通过纯CW信号测得，这正好可以解释曲线右侧末端缺失的原因(消耗的功率太高)。现在已经在各种温度上进行了测量，如图7所示，热补偿基本上比较理想。


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图7 增益和输出电压，温度补偿结果

这证明集成偏置电路的功能能够满足AB类和C类操作的需求，并且能够让热系数适应这个偏置水平。

视频带宽对3G放大器很重要。为了使自适应预失真系统实现良好的线性，放大器需要正确放大调制信号，提供比应用的初始信号更宽的频带。事实上，放大器输入处出现的额外失真有望抵消输出生成的失真，频带超出初始频带数倍。设计的目标是支持带两个载频的WCDMA应用，间隔为5MHz，这意味着信号频率需要为 10MHz左右，而VBW的目标是40MHz。如图8所示，在常规双音调测试中，共鸣的频率大约为60MHz。


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图8 双音调测试，视频带宽

这一限制来自漏极馈线与晶体管内部电容器的共鸣(Cd以及匹配元素)。输入产生的影响无法观察。因为集成偏置的缘故(根据模拟所做的估算)，可以假定 100MHz以上的频率产生影响。总之，当UMTS波段达到28V时，CW可实现下列性能：56dBm峰值功率，8dB时可从峰值功率中获得17dB增益，8dB时可从峰值功率中实现42%的效率，VBW=60MHz(共鸣)。

<strong>综合信号结果</strong>

评估的第二部分是复杂的信号测量。测试使用的信号是2个WCDMA载频，采用5MHz为间隔并进行削波，以使PAR=6.5dB。所有测量都是在 2.14GHz频率时完成的，其中Vdd=28V，测试台上配置有数字自适应预失真器。该设备专用于提供关于Doherty线性化和可实现的最大性能的信息。

图9所示为数字预失真(DPD)之前和之后的邻信道功率(ACP)和输出平均功率之比。


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图9 调制信号测试，2载频WCDMA ACP

可以看到，在功率高达49.5dBm时，线性化能够删除几乎所有失真。高于这个电平就不可能了。49.5dBm(90W)是放大器开始对信号进行削波的电平，这意味着此电平的输出峰值功率会上升为56dBm(49.5dBm+6.5dB)。 这与前面的CW测量有密切的关系。

还有一个非常有意思的现象，即线性化曲线在49.5dBm时出现明显的“拐弯”。这意味着，在信号饱和并发生削波之前，放大器不会生成难以消除的失真或对存储器造成较大的影响。为了对这些内容进行确认，对图10进行观察，会发现线性化后输出信号的PAR几乎是在50dBm时获得的，这也确认了放大器的饱和功率电平。


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图10 调制信号测试，2个载频WCDMA 的PAR和效率

注意，在这个功率电平上(49.5dBm/90W)，效率是44%，相当于比该功率电平的常规对称Doherty提高了2~3个百分点。总之，与两个 WCDMA载频和28V/2.14GHz的6.5dB PAR相比，此处可实现的性能包括：最大平均功率49.5dBm(90W)；在49.5dBm时完成线性化后，ACP达到-55dBc；49.5dBm时效率为44%。

<strong>结语</strong>

使用飞思卡尔两个专用LDMOS器件，可构建简单而高效的非对称Doherty放大器，并达到400W的峰值功率。载流子和峰值晶体管包含的集成偏置允许抑制偏置调整，从而简化栅极馈线，提供高视频带宽，同时确保几近理想的热补偿。所选的非对称电平(1dB)级别可以将Doherty的效率提高2~3个百分点。演示器显示在利用2个WCDMA载频和6.5dB PAR进行线性化后，峰值功率可达到56dBm，平均功率达到49.5dBm(90W)(包括17dB增益)，效率为44%，ACP为55dBc 。根据能确保基站放大器生产性能的余量，可估算这款Doherty产品在 47dBm(56W)与48dBm(63W)之间的功率电平时能达到40%左右的效率。具体情况将视系统显示和线性化程度而定。

<strong>参考文献</strong>

1. Raab, F.H. Asbeck. P. Cripps. S. Kenington. P.B,Popovic. Z.B, Pothecary. N., Sevic. J.F., Sokal. N.O. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on.

2. Burger. W., Brech. H., Burdeaux. D., Dragon. C., Formicone. G., Honan. M., Pryor. B., Ren X., RF-LDMOS: a device technology for high power RF infrastructure applications. Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, 2004. IEEE

3. Cripps. S. RF power amplifiers for wireless communications. Boston, MA: Artech House 1999

作者：飞思卡尔半导体 Jean-Jacques BOUNY  来源:电子设计应用2009年第11期