单片射频控制器如何促进Doherty放大器在更多射频应用中的使用

 好的发明可以开启未曾预料的机会大门。1947年，三位AT&T公司的研究人员开发出了晶体管，作为经常有问题、可靠性不高的真空管的替代品。他们不知道他们的工作无意中形成了现代电子的基础，并最终促进了集成电路的发展。与晶体管一样，互联网当初是为特定应用开发的，然后逐步演进。互联网是在冷战时期创建的，主要目的是在无线电和电话发生故障时用作点到点网络通信的一个手段。时至今日，我们已经无法想像没有互联网的世界会是怎样一番景象。

1936年，贝尔电话技术公司的William H.Doherty发表了一篇题为《用于调制波的新型高效功放》的论文。这篇论文详细介绍了可以提高射频功放效率的一种解决方案——即现在大家都知道的Doherty功率放大器。虽然Doherty放大器创建之初是用于宽带无线电发射机的，但就像许多伟大的发明一样，在预料之外的舞台上也大放异彩。

Doherty肯定从未预料到，随着WCDMA和LTE网络的兴起，他的放大器能够这么快地得到普及。在过去几年中，Doherty放大器很明显主导了无线基础设施设备市场，这得归功于这种放大器的架构能够适应很高的峰均比(PAR)。随着无线领域中幅度调制的采用以及全球LTE的普及，峰均比可达9dB左右。Doherty结构使用负载调制技术，可以在回退条件下取得很高的效率。回退效率是放大LTE信号的功放模块总体系统效率高的关键。大多数无线基站实现Doherty架构的目的就是提高功放效率，特别是在采用幅度调制的时候。

虽然如今Doherty功放在无线基础设施市场得到了广泛应用，但其它市场和应用一直在避免使用Doherty结构。这主要是因为Doherty放大器优化比较困难。了解到Doherty优化方面的挑战，Peregrine半导体公司开发了一种解决方案——一种单片射频控制器，它能通过数字接口实现相位和幅度的校准。这种单片射频控制器称为UltraCMOS MPAC(单片相位与幅度控制器)，可以降低Doherty放大器优化的难度，使其更加简单和容易使用。MPAC(图1)使得Doherty放大器可以扩展应用到无线基础设施市场之外，进入更多的射频应用领域。

图1：UltraCMOS MPAC(单片相位与幅度控制器)可以通过数字接口完成Doherty放大器的载波和峰值路径之间的相位与幅度校准。

Doherty放大器结构

在详细了解Doherty优化挑战和Peregrine公司的MPAC产品之前，让我们先看看Doherty放大器巧妙的设计。它采用了一种由两个放大器组成的双路径架构，即一个载波放大器，一个峰值放大器，如图2所示。Doherty的两个放大器路径可以实现比传统架构更高的效率增益。载波放大器是专门为载波信号设计的AB类放大器。峰值放大器是专门针对信号中的高峰值优化了的C类放大器。信号从主射频输入端进入，接着分成0度和90度相位，经过放大器内的载波和峰值路径后，最后再组合起来形成输出信号。本质上是通过管理相位和幅度实现了更高的效率。

图2：Doherty功放采用了由一个AB类载波放大器和一个C类峰值放大器组成的双路径架构。

这种架构有一个输出组合网络，允许载波放大器看到更高的阻抗，从而在回退条件下可以经历更高的电压摆幅。通过在这些条件下向载波放大器显示更高的阻抗，载波放大器可以使用可用的电压余量，工作时可更接近饱和。Doherty放大器还能在回退条件下保持C类峰值放大器处于关断状态。随着功率开始向峰值功率转变，峰值放大器开始导通，输出Doherty网络开始经历负载调制。载波放大器随即见到比在后退状态下呈现的高阻抗更低的阻抗。

在Doherty结构中，有多个元件使得放大器同时具有频率和制造敏感特性。输出负载匹配变压器是一个四分之一波传输线段，具有35Ω的特征阻抗。载波放大器和峰值放大器之间的阻抗反转器是另一个四分之一波传输线段，具有50Ω的特征阻抗。这些变压器都对频率敏感，并与峰值和载波放大器的输出匹配网络连接在一起。另外，用于优化每个放大器输出端阻抗的偏置线也具有频率敏感特性。

当Doherty是针对比如9dB的高峰均比值设计时，一般使用不对称的结构。在这种结构中，峰值放大器比载波放大器更大。为了实现最优化的非对称性Doherty实现，输入驱动强度的控制和相位平衡变得尤其重要。

Doherty放大器优化挑战

任何接受过为无线基站发射机实现Doherty功率放大器(PA)任务的人都可以证明挑战来自于Doherty放大器的优化。表现为制造和频率敏感性，每个模块的人工调整，分立元件及它们自身的差异，更不用说优化后灵活性的缺乏了。对工程师来说，这是一种非常耗时的挑战，而时间本身也是一种投资成本。

Doherty架构的载波和峰值路径之间相位与幅度的任何失配或不重合都将很快导致更高的成本和总体性能的劣化。如果载波放大器和峰值放大器没有处于同步状态，那么最终输出将达不到设计的输出性能。今天，大多数宏蜂窝射频工程师通过使用分立元件调整每条载波和峰值路径的相位与幅度来管理这种复杂性。但分立元件本身就具有制造差异。例如，0402或0603表贴元件很容易改变，特别是较低容量的电容。即使工程师使用基于某类传输线的匹配网络，电容值的变化也可能高达20%，对于任何微带层来说都是这样。随着工程师为了更高带宽而优化放大器，这些差异将侵吞余量，并使得Doherty功放更容易受制造变化的影响，因为它天生具有频率敏感性。

使用分立元件是一种成熟的方法，它能使材料清单(BOM)的成本降低。但另一方面，这种方法需要实实在在的工程时间和专业知识，因为优化是人工作业，而且工作量很大。工程师必须确定分立元件的值，以及如何将它们放到电路板上去。另外，一旦分立元件安装在电路板上，就没有灵活性了，无法为未预料到的功率晶体管变化做出改变。射频工程师也将无法进一步优化相位和幅度。

Peregrine公司的单片射频控制器——UltraCMOS MPAC

2014年6月，Peregrine公司推出了业界首个单片射频解决方案MPAC，用于优化Doherty功放的性能。基于Peregrine公司UltraCMOS技术构建的MPAC能够独立地调整载波和峰值路径上的相位和幅度。这种单芯片系统集成了1个数字串行外设接口(SPI)、2个移相器、2个数字分级衰减器和1个90度分离器(避免了采用分立元件)。针对每个不同的路径，MPAC向工程师提供了调整相位和幅度的最大灵活性，允许他们通过SPI接口调整载波和峰值路径。

MPAC取消了多种分立元件，可以帮助无线基础设施供应商提高系统性能、降低成本、提高总体产品可靠性，并为基于LDMOS(横向扩散的金属氧化物半导体)或GaN(氮化镓)的Doherty功放提供最大的调整灵活性。

利用每个路径87.2°的宽相移范围和2.8°的精细步距，MPAC可以提供65dBm IIP3的高线性度和300μA的超低功耗。另外，它支持31dBm的峰值输入射频功率，并具有30dB的高端口到端口隔离度。借助2.8o最低有效位(LSB)的5位代码扫描功能，MPAC的单路径相对相位具有很好的精度，并能在整个射频频率范围内保持单调变化特性，如图3所示。

图3：MPAC的单路径相对相位在整个射频频率范围内保持稳定的单一趋势。

由于MPAC是在UltraCMOS单片裸片上创建的，射频工程师可以自信地信任UltraCMOS工艺的均匀性和制造可靠性。只有UltraCMOS技术能够支持智能集成——这是GaAs技术永远无法企及的。如果类似MPAC的解决方案采用任何其它技术，如GaAs，结果将是由无数绑定线连接在一起的多芯片模块。另外，UltraCMOS技术具有1kV的卓越静电放电性能，高达105℃的扩展温度范围，以及从2.7V~5.5V的宽电源范围。

PE46120是MPAC系列中的首款产品(图4)，其覆盖的频率范围是从1.8GHz到2.2GHz。MPAC产品系列计划覆盖所有蜂窝频段。

图4：PE46120目前正在向选定客户提供样品，是MPAC系列中的首款产品。

本文小结

虽然本文主要讨论的是将MPAC用于Doherty放大器，但值得注意的是，MPAC也可以用于优化其它双路径、动态负载调制的放大器架构性能，如LINC和Chireix放大器。另外，MPAC还可以用于前馈放大器、波束成型网络和双路极化校准/产生应用中的矢量产生目的。

总之，Peregrine公司的UltraCMOS MPAC有效地解决了工程师在Doherty功放优化时普遍面临的挑战。借助MPAC的强大功能，工程师不必再去人工调整每个模块、使用多个分立元件进行设计，从而解决了不灵活的设计问题。MPAC有助于实现一个简单易用的Doherty放大器——一个除了无线基础设施市场以外还能用于其它未曾预料到的市场和机会的放大器。