好的發(fā)明可以開啟未曾預料的機會大門。1947年，三位AT&T公司的研究人員開發(fā)出了晶體管，作為經(jīng)常有問題、可靠性不高的真空管的替代品。他們不知道他們的工作無意中形成了現(xiàn)代電子的基礎，并最終促進了集成電路的發(fā)展。與晶體管一樣，互聯(lián)網(wǎng)當初是為特定應用開發(fā)的，然后逐步演進?；ヂ?lián)網(wǎng)是在冷戰(zhàn)時期創(chuàng)建的，主要目的是在無線電和電話發(fā)生故障時用作點到點網(wǎng)絡通信的一個手段。時至今日，我們已經(jīng)無法想像沒有互聯(lián)網(wǎng)的世界會是怎樣一番景象。
1936年，貝爾電話技術公司的William H.Doherty發(fā)表了一篇題為《用于調制波的新型高效功放》的論文。這篇論文詳細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線電發(fā)射機的，但就像許多偉大的發(fā)明一樣，在預料之外的舞臺上也大放異彩。
Doherty肯定從未預料到，隨著WCDMA和LTE網(wǎng)絡的興起，他的放大器能夠這么快地得到普及。在過去幾年中，Doherty放大器很明顯主導了無線基礎設施設備市場，這得歸功于這種放大器的架構能夠適應很高的峰均比(PAR)。隨著無線領域中幅度調制的采用以及全球LTE的普及，峰均比可達9dB左右。Doherty結構使用負載調制技術，可以在回退條件下取得很高的效率。回退效率是放大LTE信號的功放模塊總體系統(tǒng)效率高的關鍵。大多數(shù)無線基站實現(xiàn)Doherty架構的目的就是提高功放效率，特別是在采用幅度調制的時候。
雖然如今Doherty功放在無線基礎設施市場得到了廣泛應用，但其它市場和應用一直在避免使用Doherty結構。這主要是因為Doherty放大器優(yōu)化比較困難。了解到Doherty優(yōu)化方面的挑戰(zhàn)，Peregrine半導體公司開發(fā)了一種解決方案——一種單片射頻控制器，它能通過數(shù)字接口實現(xiàn)相位和幅度的校準。這種單片射頻控制器稱為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，使其更加簡單和容易使用。MPAC(圖1)使得Doherty放大器可以擴展應用到無線基礎設施市場之外，進入更多的射頻應用領域。
圖1：UltraCMOS MPAC(單片相位與幅度控制器)可以通過數(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。
Doherty放大器結構
在詳細了解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放大器巧妙的設計。它采用了一種由兩個放大器組成的雙路徑架構，即一個載波放大器，一個峰值放大器，如圖2所示。Doherty的兩個放大器路徑可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)架構更高的效率增益。載波放大器是專門為載波信號設計的AB類放大器。峰值放大器是專門針對信號中的高峰值優(yōu)化了的C類放大器。信號從主射頻輸入端進入，接著分成0度和90度相位，經(jīng)過放大器內(nèi)的載波和峰值路徑后，最后再組合起來形成輸出信號。本質上是通過管理相位和幅度實現(xiàn)了更高的效率。
圖2：Doherty功放采用了由一個AB類載波放大器和一個C類峰值放大器組成的雙路徑架構。
這種架構有一個輸出組合網(wǎng)絡，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，工作時可更接近飽和。Doherty放大器還能在回退條件下保持C類峰值放大器處于關斷狀態(tài)。隨著功率開始向峰值功率轉變，峰值放大器開始導通，輸出Doherty網(wǎng)絡開始經(jīng)歷負載調制。載波放大器隨即見到比在后退狀態(tài)下呈現(xiàn)的高阻抗更低的阻抗。
在Doherty結構中，有多個元件使得放大器同時具有頻率和制造敏感特性。輸出負載匹配變壓器是一個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器是另一個四分之一波傳輸線段，具有50Ω的特征阻抗。這些變壓器都對頻率敏感，并與峰值和載波放大器的輸出匹配網(wǎng)絡連接在一起。另外，用于優(yōu)化每個放大器輸出端阻抗的偏置線也具有頻率敏感特性。
當Doherty是針對比如9dB的高峰均比值設計時，一般使用不對稱的結構。在這種結構中，峰值放大器比載波放大器更大。為了實現(xiàn)最優(yōu)化的非對稱性Doherty實現(xiàn)，輸入驅動強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)
任何接受過為無線基站發(fā)射機實現(xiàn)Doherty功率放大器(PA)任務的人都可以證明挑戰(zhàn)來自于Doherty放大器的優(yōu)化。表現(xiàn)為制造和頻率敏感性，每個模塊的人工調整，分立元件及它們自身的差異，更不用說優(yōu)化后靈活性的缺乏了。對工程師來說，這是一種非常耗時的挑戰(zhàn)，而時間本身也是一種投資成本。
Doherty架構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有處于同步狀態(tài)，那么最終輸出將達不到設計的輸出性能。今天，大多數(shù)宏蜂窩射頻工程師通過使用分立元件調整每條載波和峰值路徑的相位與幅度來管理這種復雜性。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傳輸線的匹配網(wǎng)絡，電容值的變化也可能高達20%，對于任何微帶層來說都是這樣。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，因為它天生具有頻率敏感性。
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，這種方法需要實實在在的工程時間和專業(yè)知識，因為優(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，就沒有靈活性了，無法為未預料到的功率晶體管變化做出改變。射頻工程師也將無法進一步優(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)界首個單片射頻解決方案MPAC，用于優(yōu)化Doherty功放的性能?；赑eregrine公司UltraCMOS技術構建的MPAC能夠獨立地調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個數(shù)字串行外設接口(SPI)、2個移相器、2個數(shù)字分級衰減器和1個90度分離器(避免了采用分立元件)。針對每個不同的路徑，MPAC向工程師提供了調整相位和幅度的最大靈活性，允許他們通過SPI接口調整載波和峰值路徑。
MPAC取消了多種分立元件，可以幫助無線基礎設施供應商提高系統(tǒng)性能、降低成本、提高總體產(chǎn)品可靠性，并為基于LDMOS(橫向擴散的金屬氧化物半導體)或GaN(氮化鎵)的Doherty功放提供最大的調整靈活性。
利用每個路徑87.2°的寬相移范圍和2.8°的精細步距，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的單路徑相對相位具有很好的精度，并能在整個射頻頻率范圍內(nèi)保持單調變化特性，如圖3所示。
圖3：MPAC的單路徑相對相位在整個射頻頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的單一趨勢。
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技術能夠支持智能集成——這是GaAs技術永遠無法企及的。如果類似MPAC的解決方案采用任何其它技術，如GaAs，結果將是由無數(shù)綁定線連接在一起的多芯片模塊。另外，UltraCMOS技術具有1kV的卓越靜電放電性能，高達105℃的擴展溫度范圍，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)品系列計劃覆蓋所有蜂窩頻段。
圖4：PE46120目前正在向選定客戶提供樣品，是MPAC系列中的首款產(chǎn)品。
本文小結
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、動態(tài)負載調制的放大器架構性能，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)絡和雙路極化校準/產(chǎn)生應用中的矢量產(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)化時普遍面臨的挑戰(zhàn)。借助MPAC的強大功能，工程師不必再去人工調整每個模塊、使用多個分立元件進行設計，從而解決了不靈活的設計問題。MPAC有助于實現(xiàn)一個簡單易用的Doherty放大器——一個除了無線基礎設施市場以外還能用于其它未曾預料到的市場和機會的放大器。
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