利用RF包络检波实现漏极调制系统

无线设备行业竭力削减设备的成本、尺寸和功耗，而提升高功率放大器的功率附加效率(PAE)仍然是一个极具挑战性的目标。目前有多种技术正在研发之中。大多数情况下，任何技术的商业化都将取决于能否开发出突破性的技术。本文主要讨论用来提高PAE的一些技术以及支持该技术的一些RF信号处理模块。

峰均比

图 1 所示为一个 20 MHz 带宽正交频分多路复用(OFDM)信号的时间包络。该信号包括大量码元速率相对较低的正交 QAM调制子载波。基于 OFDM 的无线传输正变得越来越流行，部分原因是低码元速率的子载波对衰落相对不敏感。它目前用于无线LAN和 WiMax系统，将来也会用于下一代长期演进(LTE)移动数据和语音系统。高级 OFDM 系统允许子载波的调制随着工作和环境条件的改变而变化。例如，如果一个用户位于小区的边缘，系统可能决定用正交相移键控方法来调制子载波，这就需要相对较低的信噪比，才能成功进行解调。其代价是数据速率相对较低。另一方面，如果用户靠近小区中心并需要高数据速率，则可以发射更高阶调制子载波，从而带来更高的数据速率。

图 1. 20 MHz 带宽正交频分多路复用(OFDM)载波的时间包络。

更高阶 QAM 信号（如 64-QAM 和 128-QAM）具有高峰均比，而 OFDM 信号可以轻松包括 1024 个子载波，因此 OFDM 信号的峰均比也很高。图 1 清楚地显示了这一点。从图 1 中还可以看到，该信号也有一些深谷。因此，虽然一般是讨论峰均比，但稍后我们会看到，当设计更高效率的功率放大器时，信号的峰值最小值比（可能达到 40 dB）也具有重要意义。

图 2 显示了一个功率放大系统的最基本框图。提供给负载的电流由高功率放大器(HPA)电源（本例中为±4V）发出。有效值输出信号具有有效值电平(VRMS)和峰值电平(VPEAK)。为获得良好的信号保真度，输出信号与电源之间必须存在足够的裕量，使得信号波峰不会被削波。

图 2.  高峰均比信号的功率放大

这一裕量要求导致该系统存在效率低下的弱点。如果信号具有高峰均比，则电源必须偏置以支持峰值电平，有效值而不是有效值电平。

假设输出有效值有效值电平为 1Vrms，并且信号的峰均比为 4，即 12 dB。这意味着，信号的峰值为 4 V，峰到峰摆幅为 8 V。因此，系统的绝对最小电源电压可能是±4 V（单电源系统则为8 V）。提供给负载的功率等于 20 mW (1 V x 1 V/50)，负载电流等于 20 mA。然而，电源提供的功率等于 80 mW (4 V x 20 mA)。因此，效率只有 25% (100 x (20 mW/80 mW))。

虽然上例并不能真正代表一个实际的系统，但它确实说明传输高峰均比信号自然会降低功率放大系统的效率。

漏极调制

图 3 显示了一个尝试解决上述裕量问题的替代功率放大方案。本例中，输入信号分为两部分。一部分信号是受限的，即放大到饱和状态，但其相位信息保持不变。另一部分信号则施加于一个包络检波器，然后利用包络检波器的输出来调制 PA 的电源，这样可以确保 PA 的偏置电压仅在需要时才变为高电压，从而显著节省常备功率，提高电源效率。

图 3.  包络消除与恢复或漏极调制

这样的系统通常称为包络消除与恢复(EER)或漏极调制（其中“漏极”指功率 FET 晶体管的漏极），要实现它并不容易，包络路径中存在非常艰巨的挑战。对于带宽为 20 MHz 的载波，其包络带宽也是 20 MHz。这意味着，为了避免相位延迟，包络检波器和 PA 电源的带宽至少必须与 20 MHz 一样快，可能需要比 20 MHz 快得多。对于需要提供数十或数百瓦功率的电源，其难度非常大。迄今为止，漏极调制主要用于带宽只需数百 KHz 的窄带系统，例如单载波 GSM-EDGE 手机传输等。

包络检波技术的最新进展有助于将这一架构变为现实。图 4 所示为 ADI 公司最近发布的 TruPWR™ RMS 和包络检波器ADL5511 的功能框图。

ADL5511 通过一路 RF 输入提供两路独立的输出。VRMS 引脚的电压相当于输入信号的 RMS 电压（放大 3 倍）。VENV 引脚的电压相当于输入信号的包络。VENV 输出参考 EREF 输出提供的 1.1 V 固定电压。让包络输出电压参考非零值可以确保净包络电压(VENV-VEREF)的摆幅可以一直达到 0 V，并且失调电压误差非常低。

图 4. ADL5511 功能框图

ADL5511 支持-25 dBm 至+15 dBm 的输入功率水平，即动态范围为 40 dB。在整个温度范围内，RMS 和包络输出的精度为± 0.25 dB。该检波器还能在 1 MHz 至 4 GHz 的宽输入频率范围工作，而不需要外部巴伦或外部电抗性匹配。

通过 ADL5511 的包络延迟已降至小于 5 nS 的最低水平。因此，要传输的信号与漏极调制包络能够保持精密同步，而不需要使用长延迟线。

除了漏极调制以外，PA 设计人员还可以利用 VRMS 和 VENV输出及外部峰值保持运放电路来计算输入信号的峰均比。此外，也可以利用 ADI 公司内置峰值保持电路的 RMS 和包络检波器 ADL5502 来测量峰均比。

图 5. ADL5511 的包络和 rms 响应图

图5显示了ADL5511的RMS和包络输出对单个宽带码分多址(WCDMA)载波的响应。黄色实线表示 WCDMA 载波。蓝色线表示器件的 VENV 输出。码片速率为 3.84 MHz，WCDMA 信号的载波带宽也是 3.84 MHz。由于 ADL5511 包络输出的带宽约为 80 MHz，因此 VENV 输出能够精确地追随快速变化的包络。此外，该检波器的 40 dB 检波范围（适用于 RMS 和包络两路输出）能够确保捕捉到信号的峰值和谷值。

图 5 还显示了一条直线（粉红色），有效值它表示输入信号的有效值电压（放大 1.5 倍）。该输出信号由连接到 FLT4 引脚的RMS 均值电容(1 µF)进行平均。虽然此电容大大延缓了有效值输出的响应时间，但它对包络输出的响应无任何影响。

总结

通过提供快速包络带宽和 40 dB 的信号检波范围，ADL5511有助于实现全模拟漏极调制方案，即系统中驱动快速开关电源的包络信号由经调制的原始载波产生。在此类方案中，附加的RMS 输出可以用于缩放最终输出功率水平。

作者：Eamon Nash，RF 应用工程师，ADI 公司