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4G-LTE系統中反向Doherty功率放大器設計

2019年06月26日 15:49 ? 次閱讀

  一、引言

  隨著通信系統的快速發展,當下各國都在加速4G網絡發展的步伐。更高速,更優質,更靈活的眾多優點,讓4G網絡有著無可比擬的優越性。而高數據傳輸率和多模傳輸對通信系統產生了極大影響,復雜的調制方式無疑對基站中的核心模塊功率放大器提出了更高的線性度要求,同時也要求更高的信道帶寬,PA的研究也成為當今的熱門研究領域。DXY鼎芯長期以來在微波射頻研究領域也作了大量投入,涵蓋無線通信(直放站、基站、RRU、WLAN)、WIFI、CMMB、 ISM(工業、科學、醫療)等,公司的微波射頻實驗室已成為NXP和清華大學微電子研究所的應用工程實驗室,本文設計的反向Doherty功率放大器便是其中產品之一。

  PA作為收發信機的核心組成部分,約占其系統能耗的1/3。傳統的基站功放是通過功率回退,單純犧牲功放效率來提升線性度。為了降低通信運營商的運營成本,順應綠色通信發展大趨勢,提高PA效率的研究已是迫在眉睫。而傳統的DPA在功率回退一定范圍內也能提供足夠高的效率,足見DPA的研究就顯得尤為重要。和傳統DPA相比,IDPA結構峰值放大器后的1/4波長傳輸線在補償相位的同時,還能減少功率泄露,進一步提高了功放效率。

  二、IDPA的工作原理

  傳統的DPA包括載波功率放大器和峰值功率放大器,載波功放工作于B類或AB類,峰值功放工作于C類。載波功放一直都在工作,而峰值功放在峰值時才開啟工作。當載波功放達到飽和態而峰值功放將要開啟工作時,效率達到B類功放的理論最大值78.5%。隨著輸入信號逐漸加大,峰值功放開啟工作,從而減小了載波功放的視在阻抗,相當于給載波功放串聯了一個負阻抗。此時載波功放一直處于飽和狀態,其輸出電壓恒定,隨著輸出阻抗的不斷減小,載波功放的輸出電流也不斷變大。當峰值功放達到飽和態時,其效率也達到最大。一個B類功放在峰值時才能達到效率最大值,而此Doherty功放只需在峰值的一半即能達到效率最大值。

  在載波功放后面的1/4波長傳輸線起阻抗變換作用,同時也使兩路功放產生了90°相差,為了使兩路功放輸出同相,就需要在峰值功放前補充90°相移。DPA結構框圖如下:

  11

  相比傳統的DPA結構,IDPA結構的1/4波長傳輸線補充在峰值功放后面,在起到相位補償的同時,還能減小功率泄露,進一步提高了功放效率。IDPA結構如下圖。

  22

  對于DPA技術,在載波放大器達到飽和狀態時,峰值放大器才開啟工作,這樣才能保證功放在回退一定范圍內效率始終維持在一個較高的水平,不至于急劇下降。

  在小信號工作階段,載波放大器正常工作,峰值放大器關斷未工作。

  33

  此時峰值放大器相當于開路狀態,阻抗Z2無窮大,避免了載波放大器的功率泄露。載波功放后的1/4波長傳輸線起阻抗變換作用,即Z0*Z0=Z1*Z3,Z4*Z4=R*Z3。當Z0=R=50歐且Z4=0.707R時,Z3=25歐,Z1=2Z0=100歐。

  在大信號工作階段,峰值放大器開啟工作,可以看成是載波功放的有源負載。

  44

  假設載波功放和峰值功放是等功率輸入,則載波功放的輸出阻抗Z1由2R逐漸減小,從而能輸出更大的功率,使IDPA的效率始終維持在較高的水平,不至于在功率回退一定范圍內,效率出現急劇下降。由于兩路功放的電路網絡相同,從而會有相同的輸出功率,相同大小的電流輸出。此時 Z1=Z2=Z3=Z0=R=50歐。

  三、IDPA的設計

  本設計選用的功放管是NXP的BLF8G27LS-100P,載波放大器工作于AB類,柵壓選為1.99V,峰值放大器工作于C類,柵壓選為0.67V。

  針對不同飽和功率和效率設計輸入輸出匹配電路。漏極采用雙邊平衡饋電結構,電路由RF濾波電容、包絡頻率去耦電容以及1/4波長微帶線組成,此微帶線長度可根據功放性能進行調整,盡可能短路掉包絡頻率電壓。通過對偏置電路網絡的優化,進一步降低記憶效應的影響,提高視頻帶寬VBW,以提高功放的寬帶特性。

  功放管的最佳負載阻抗會隨著輸入功率的改變而變化,在具體的功率和效率要求下,就可以通過調整輸入輸出匹配網絡和偏置電路網絡,以使功率和效率達到良好的折中。本設計經過優化后的實物電路如下圖

  55

  四、測試結果分析

  測試2500MHz-2690MHz頻段范圍內2500MHz、2595MHz、2690MHz的AM-AM曲線,

  

  2500MHz AM-AM

  

  2595MHz AM-AM

  

  2690MHz AM-AM從以上的AM-AM曲線可以看出,在輸入功率-30dBm—-16dBm范圍內,增益波動約為0.1dB,功放增益線性度較好。

  用峰均比為10.3dB的WCDMA 單載波信號測試

  4G-LTE系統中反向Doherty功率放大器設計

  上表所示為2500MHz-2690MHz頻段范圍內的增益,功率和效率,增益波動為0.5dB,整個頻段范圍內功率和效率的變化一致性較好,足見該款PA能滿足較寬的帶寬要求。

  用帶寬為19.84MHz的WCDMA 四載波信號測試ACP

  
4G-LTE系統中反向Doherty功率放大器設計
?

  

  五、結論

  針對高峰均比的4G-LTE寬帶信號,本文采用NXP(恩智浦)的BLF8G27LS-100P功放管設計了一款反向Doherty功率放大器,在保證功放效率維持在一個較高值的同時,也得到了一個較好的線性度,由此表明該款功率放大器能較好地應用到4G-LTE等各種通信系統中。

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設備的發射信號用途功率放大器多芯片模塊。這次開發成功的射頻功率放大器模塊NJG1330對應4G LT...

發表于 2018-09-15 09:41 ? 1088次閱讀
新日本無線的射頻功率放大器模塊NJG1330進入...

一種新型串聯電感并聯調諧DE-1類功率放大器

本文將D類功率放大器與E-1類功率放大器結合,提出一種新型串聯電感并聯調諧DE-1類功率放大器。首先...

發表于 2018-09-07 11:39 ? 1474次閱讀
一種新型串聯電感并聯調諧DE-1類功率放大器

簡述功率放大器的作用

簡述功率放大器的作用。功率放大器最主要的作用就是用來放大音量的,除了放大音量之外,還具有提高音質的作...

發表于 2018-09-01 11:36 ? 6172次閱讀
簡述功率放大器的作用

集成音頻功率放大器的作用及優缺點介紹

集成音頻功率放大器簡稱集成功放。集成功放的作用是將前級電路送來的微弱電信號進行功率放大,產生足夠大的...

發表于 2018-08-31 10:10 ? 3505次閱讀
集成音頻功率放大器的作用及優缺點介紹

AMC7834 AMC7834 集成功率放大器監...

AMC7834器件是一款針對功率放大器(PA)偏置的高度集成,低功耗,模擬監視和控制解決方案,能夠對溫度,電流和電壓進行監控。 該器件集成了一個多通道12位模數轉換器(ADC);八個12位數模轉換器(DAC);四個高側電流感測放大器,可以選擇設置它們作為四個獨立閉環漏極電流控制器的一部分;一個精確的片上溫度傳感器和兩個遠程溫度二極管驅動器;四個可配置的通用I /O端口(GPIO);以及一個精確的內部基準。其高集成度極大地減少了組件數量,并且簡化了PA偏置系統設計。 該器件具有功能集成和寬工作溫度范圍等諸多優勢,因此適合用作多通道射頻(RF)通信系統中PA的一體化,低成本偏置控制電路。憑借靈活的DAC輸出范圍和寬共模電壓電流傳感器,此器件可用作針對多種晶體管技術(例如LDMOS,GaA和GaN)的偏置解決方案.AMC7834功能集對通用監視器和控制系統而言同樣有益。 德州儀器(TI)提供了一個完備的模擬監視和控制(AMC)產品系列,以滿足各類應用不同的通道數,附加特性或者轉換器解決方案需求。更多信息,敬訪訪問www.ti.com.cn/amc。 特性 8個具有可編程范圍的單調性12位數模轉換器(DAC) 4個雙極DAC...

發表于 2018-08-30 16:06 ? 580次閱讀
AMC7834 AMC7834 集成功率放大器監...

DRV594 +/-3A 高效 PWM 功率驅動...

DRV593和DRV594是高效率,高電流功率放大器,非常適合驅動2.8 V至5.5供電系統中的各種熱電冷卻器元件V.器件的操作僅需要一個電感器和電容器用于輸出濾波器,從而節省了大量的印刷電路板面積。脈沖寬度調制(PWM)操作和低輸出級導通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在內部受到熱和電流過載保護。當結溫達到大約128°C時,邏輯電平故障指示信號發出信號,以便在放大器內部熱關斷電路激活之前進行系統級關斷。當發生過電流事件時,故障指示器也會發出信號。如果過流電路跳閘,器件會自動復位(更多詳細信息,請參見應用信息部分)。 根據系統要求,PWM開關頻率可設置為500 kHz或100 kHz。為消除外部元件,DRV593的增益固定為2.3 V /V.對于DRV594,增益固定為14.5 V /V. 特性 與DRV591相比,操作將輸出濾波器尺寸和成本降低50% ±3-A最大輸出電流 低電源電壓工作:2.8 V至5.5 V 高效率產生更少熱量 過流和熱保護 故障指示燈過流,熱和欠壓條件 兩個可選擇的開關頻率 內部或外部時鐘同步 針對EMI優化的PWM方案 < li> 9×9 mm PowerPAD?Quad Flatpack封裝 應用 熱電冷卻器(TEC)驅動器 激...

發表于 2018-08-10 17:43 ? 186次閱讀
DRV594 +/-3A 高效 PWM 功率驅動...

DRV593 +/-3A 高效 PWM 功率驅動...

DRV593和DRV594是高效率,高電流功率放大器,非常適合驅動2.8 V至5.5供電系統中的各種熱電冷卻器元件V.器件的操作僅需要一個電感器和電容器用于輸出濾波器,從而節省了大量的印刷電路板面積。脈沖寬度調制(PWM)操作和低輸出級導通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在內部受到熱和電流過載保護。當結溫達到大約128°C時,邏輯電平故障指示信號發出信號,以便在放大器內部熱關斷電路激活之前進行系統級關斷。當發生過電流事件時,故障指示器也會發出信號。如果過流電路跳閘,器件會自動復位(更多詳細信息,請參見應用信息部分)。 根據系統要求,PWM開關頻率可設置為500 kHz或100 kHz。為消除外部元件,DRV593的增益固定為2.3 V /V.對于DRV594,增益固定為14.5 V /V. 特性 與DRV591相比,操作將輸出濾波器尺寸和成本降低50% ±3-A最大輸出電流 低電源電壓工作:2.8 V至5.5 V 高效率產生更少熱量 過流和熱保護 故障指示燈過流,熱和欠壓條件 兩個可選擇的開關頻率 內部或外部時鐘同步 針對EMI優化的PWM方案 < li> 9×9 mm PowerPAD?Quad Flatpack封裝 應用 熱電冷卻器(TEC)驅動器 激...

發表于 2018-08-10 17:37 ? 210次閱讀
DRV593 +/-3A 高效 PWM 功率驅動...

DRV591 高效 PWM 功率驅動器

DRV591是一款高效率,高電流功率放大器,適用于驅動2.8 V至5.5 V電源系統中的各種熱電冷卻器元件PWM工作和低輸出級導通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV591內部具有熱和電流過載保護功能。邏輯電平故障指示器在結溫達到約130°C時發出信號,以便在放大器內部熱關斷電路激活之前進行系統級關斷。當發生過電流事件時,故障指示器也會發出信號。如果過流電路跳閘,DRV591會自動復位(更多詳細信息,請參見應用信息部分)。 根據系統要求,PWM開關頻率可設置為500 kHz或100 kHz。為了消除外部元件,增益固定在大約2.3 V /V。 特性 ±3-A最大輸出電流 低電源電壓工作:2.8 V至5.5 V < li>高效率產生的熱量 過流和過熱保護 過流,過熱和欠壓條件下的故障指示燈 兩種可選擇的開關頻率 內部或外部時鐘同步 針對EMI優化的PWM方案 9×9 mm PowerPAD ?? Quad Flatpack 應用 熱電冷卻器(TEC)驅動器 激光二極管偏置 PowerPAD是德州儀器公司的商標。 參數 與其它產品相比?TEC/激光 PWM 功率放大器 ? Vs (Min) (V) Vs (Max) (V) rDS(on) (Ohms) Output Current (Typ) (A) ...

發表于 2018-08-10 17:37 ? 207次閱讀
DRV591 高效 PWM 功率驅動器

CC2595 用于 2.4GHz ISM 頻帶系...

CC2595是一款PA解決方案,可擴展任何Zigbee或藍牙收發器的范圍。它是一款經濟高效的高性能RF前端,適用于2.4 GHz頻段的低功耗和低電壓無線應用。如果使用適當的外部元件,其單端RF輸入和輸出使其與任何制造商的收發器兼容。當使用發送/接收(T /R)開關和平衡 - 不平衡轉換器時,它可以與現有和未來的CC24XX和CC25XX收發器產品連接。 CC2595通過提供功率放大器來擴展鏈路預算,以提高輸出功率。它對高(+20 dBm)輸出功率非常有效,使其適用于電池供電系統。 CC2595包含PA和RF匹配,可用于高性能無線應用的簡單設計。它采用3×3mm,16引腳QFN封裝,帶有裸露焊盤。 特性 低成本和小包裝 非常少的外部組件 2.0-V到3.6- V操作 掉電模式下小于1μA的電流消耗 低發送電流消耗 3 V時98 mA,+ 20.7 dBm輸出(PAE) = 40%) 符合RoHS標準的3×3毫米QFN-16封裝 參數 與其它產品相比?射頻增益塊放大器 ? Number of Channels (#) Frequency (Min) (MHz) Frequency (Max) (MHz) Noise Figure (Typ) (dB) P1dB (Typ) (dBm) Gain (Typ) (dB) Impedance Match...

發表于 2018-08-10 16:12 ? 93次閱讀
CC2595 用于 2.4GHz ISM 頻帶系...
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