預(yù)失真電路設(shè)計(jì)論文范文

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1原理分析與電路設(shè)計(jì)

1.1放大器非線性模型當(dāng)放大器工作在非線性區(qū)時(shí)，采用Taylor級(jí)數(shù)模型，放大器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)可表述。若k1和k3符號(hào)相反，輸出信號(hào)的增益會(huì)隨著輸入信號(hào)功率的增大而減小，即增益壓縮（AM－AM效應(yīng)）。同時(shí)，輸出信號(hào)的相位會(huì)隨著輸入功率變化而變化，即相位失真（AM－PM效應(yīng)）［6］。對(duì)于固態(tài)放大器，k3＜0，其非線性特性是增益壓縮，相位擴(kuò)張。預(yù)失真的基本原理即通過(guò)二極管或其它電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與功放相反的非線性特性，從而抵消因功放非線性引起的幅度與相位失真，達(dá)到改善功率放大器線性度的目的，其原理如圖2所示。由于2ω1－ω2、2ω2－ω1兩個(gè)頻率分量（三階交調(diào)分量）通常落在帶內(nèi)難以消除，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，因此是衡量放大器非線性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

1.2電路設(shè)計(jì)在圖1中，輸入信號(hào)通過(guò)2個(gè)3dBLange橋后，分別送入兩個(gè)放大器；一般情況下，兩路信號(hào)功率相差15dB以上，可保證A1工作在線性狀態(tài)。設(shè)放大器的線性增益為G0，放大器1和2的輸出分別為。為了準(zhǔn)確地?cái)M合主放大器的非線性特性，放大后的誤差信號(hào)應(yīng)與主功放的非線性分量相等，即非線性工作的放大器應(yīng)與主放大器工作在相同的功率回退狀態(tài)。功分器和耦合器1均采用相同的3dBLange橋?qū)崿F(xiàn)（δ1＝δ2＝0．707），整個(gè)預(yù)失真電路的增益應(yīng)為0，可以滿足上述要求。結(jié)合（7）、（9）、（10）三式，可以確定耦合器的耦合度和各個(gè)衰減器的大小。通過(guò)調(diào)節(jié)延時(shí)線的長(zhǎng)度和微調(diào)衰減器的大小，得到對(duì)主放大器線性度較好的改善效果。采用ADS進(jìn)行仿真，G0＝25．5dB，衰減器1的衰減量為22dB，衰減器2的衰減量為5．4dB，定向耦合器的耦合度為－16．7dB。耦合器2也選擇Lange橋，不僅簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也節(jié)約了版圖面積。

2測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用0．15μmGaAs工藝實(shí)現(xiàn)，芯片面積為1．9mm×3．0mm，芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。該預(yù)失真單片的中心頻率為21GHz，采用5V電壓供電，直流功耗0．8W。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試該預(yù)失真電路的增益和相位特性，設(shè)置中心頻率為21GHz，輸入功率掃描范圍為－20～14dBm。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。該預(yù)失真電路可以提供3dB的增益擴(kuò)張，以及20°以上的相位壓縮。驗(yàn)證了該芯片可以產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)后，將其與功率放大器級(jí)聯(lián)，測(cè)試其對(duì)功率放大器線性度的改善情況。測(cè)試結(jié)果表明，加入預(yù)失真電路后，功率放大器的P－1從22．2dBm提升至22．8dBm，相位誤差從P－1處20°以上減小至3°以內(nèi)，如圖5所示。雖然增益波動(dòng)最大為－0．4dB，但是該預(yù)失真電路修正了絕大部分的相位誤差，同時(shí)一定程度上提高1 dB壓縮點(diǎn)。為了驗(yàn)證該預(yù)失真電路的線性化效果，進(jìn)一步測(cè)試采用中心頻率為21GHz、間隔為10MHz的雙音信號(hào)作為輸入信號(hào)，比較相同的輸出功率下，加入預(yù)失真芯片前后三階交調(diào)指標(biāo)改善情況，如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明，該預(yù)失真芯片對(duì)功率放大器三階交調(diào)最高可有27dBc的改善，在功率回退3dB時(shí)，可有5dBc的改善。在對(duì)功率放大器三階交調(diào)為－30dBc的抑制條件下，驅(qū)動(dòng)放大器輸出功率從13dBm提高至17．5dBm。但是，五階分量在回退過(guò)程中會(huì)有一定程度的惡化，如圖7所示。由于流片過(guò)程中采用的電容比設(shè)計(jì)電容小20％，預(yù)失真電路中功放的特性出現(xiàn)了一定的偏差，導(dǎo)致了幅度修正不平坦、三階分量在回退至小功率時(shí)改善效果不明顯，也是五階分量惡化的主要原因。對(duì)五階分量改善不好的另一原因是要對(duì)高階分量有很好的抑制，需要精確地產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)，而產(chǎn)生該信號(hào)非常困難，通常的做法是預(yù)失真系統(tǒng)中包含某種反饋以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，而這會(huì)使電路的復(fù)雜程度增大。為了驗(yàn)證該預(yù)失真電路的通用性，將該芯片與一高功率放大器（HPA）級(jí)聯(lián)，進(jìn)行了雙音信號(hào)測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。在功率回退的整個(gè)過(guò)程中，IM3均有不同程度的改善，在輸出29dBm時(shí)可改善15dBc以上，同時(shí)五階分量并不會(huì)惡化。在－30dBc的抑制條件下，HPA輸出功率可從28dBm提高至33dBm。

3結(jié)論

提出了一種預(yù)失真電路的新結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論分析和仿真，實(shí)現(xiàn)了一款工作于K波段的預(yù)失真電路單片集成電路。該電路將主路信號(hào)與非線性信號(hào)支路分離，具有更好的AM－AM和AM－PM效應(yīng)的同時(shí)，大大減小了芯片尺寸。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，預(yù)失真電路各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，指標(biāo)滿足雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的應(yīng)用要求，為進(jìn)一步深入研究提供了設(shè)計(jì)參考。

作者：王文斌陶洪琪張斌單位：南京電子器件研究所