如何调节MAX2009/MAX2010 RF预失真器来优化系统性能？
品慧电子讯类似于 WCDMA 的线性调制方案能够支持较高的数据速率，每个载波允许多个无线连接，但会造成载波信号较高的峰均比。与恒包络调制不同(恒包络调制中允许 PA (功率放大器)采用小尺寸)，目前应用中的放大器必须采用较大的散热面积，以满足邻信道泄漏的要求。
类似于 WCDMA 的线性调制方案能够支持较高的数据速率，每个载波允许多个无线连接，但会造成载波信号较高的峰均比。与恒包络调制不同(恒包络调制中允许 PA (功率放大器)采用小尺寸)，目前应用中的放大器必须采用较大的散热面积，以满足邻信道泄漏的要求。PA 效率的下降同样需要 PA 占用较大的散热面积，需要采用线性化技术以最小的 IM (互调)实现最高效率。
众所周知的线性化技术，例如：前馈(FFW)和数字预失真(DPD)，费用昂贵且需要相当大的空间。这就需要寻求一种元件数量少、易于操作的方法。
与 FFW 或 DPD 相比，MAX2009/MAX2010 模拟 RF 预失真器需要非常少的外部元件，易于调节，并且具有相当大的线性范围。
MAX2009/MAX2010 依靠 RF 频率下的 AM-AM 和 AM-PM 曲线校准提高 IM3 和 ACPR 性能。芯片内部测量信号功率，并将相位和增益预失真为电流信号幅度的函数。尽管 AM-AM 和 AM-PM 校准采用无记忆电路，AB 类放大器仍然能够从 Maxim®器件产生的负失真信号中获益，显著地改善系统性能。
与所有线性化技术一样，采用好的信号削波算法能够在 PA 之前降低信号的峰均比(没有超过 EMV 限制)，有助于模拟预失真。MAX2009/MAX2010 配合适当的信号削波方案能够获得最佳性能。
预失真器原理
对于指定的正弦 RF 输入，RF 频率下放大器的压缩失真通常类似于图 1。预失真器对输入信号进行失真处理，以抵消放大器造成的失真。结果得到净线性传输函数。
图 1. 幅值失真传输函数
相位失真操作几乎相同。大多数放大器都倾向于随着幅度的增大而增大输入信号延时。这意味着输出信号的相位随幅度的增大而减小。预失真器的相位调整则相反，将延时作为幅度的函数，随幅度增大而减小。最终形成一个固定延时的传输函数。
图 2. 相位失真传输函数
上图所示为 VIN/VOUT 瞬态特性。对于 RF 放大器来说，即使可能实现，也非常困难。对于一个无记忆系统，通过简单绘制 AM-AM 和 AM-PM 曲线图，可完全描述放大器的非线性特性。图 3 所示为 AM-AM 和 AM-PM 曲线示例。输入信号为单频率，x 轴表示输入功率，AM-AM 和 AM-PM 曲线分别表示增益的幅值和相位。注意，相位压缩在幅度压缩之前进行，这一点对于选择正确的模拟预失真方法非常重要。
图 3. AM-AM 和 AM-PM 曲线
任何实际使用的放大器都具有一定程度的非线性，这种非线性可通过泰勒级数展开，表示成非线性传输函数：
VOUT = K0 + K1VIN + K2VIN² + K3VIN³ + ... + KNVINN
偶次谐波远离基波，其系数数值很小可忽略不计，谐波分量的幅值随着谐波次数的增大而减小。所以，大多数情况下利用 3 次和 5 次谐波即可准确地描述实际的非线性放大器。根据所要求的线性度的不同，高阶项在有些情况下可能非常重要。K3、K5、…等系数越大，放大器的非线性越严重，AM-AM 和 AM-PM 曲线偏离理想直线越远。对于任何类型的放大器，预失真的目的都是尽可能改善系统的 AM-AM 和 AM-PM 曲线，从而将不希望的交调产物降至最小。
放大器预失真的准备工作
MAX2009/MAX2010 的典型功能是扩展相位和增益，以补偿放大器的相位和增益压缩。这个过程相当于线性映射，功率管压缩曲线的每个点都对应于一个相位和增益修正值。实际应用中，放大器在一定程度上受记忆效应的影响。与其它半导体器件一样，功率管特性随温度变化，由于功率放大器的效率受限，大多数功率被转化为热量。这种能量转换对应于几个不同的时间常数。整个放大器变热需要几分钟，晶体管封装变热需要几秒钟，而一个 LDMOS 通道发热的时间则是微秒级的¹。所以，若一个信号包络的功率变化非常快，例如 WCDMA，有效通道的温度将不再保持恒定，而是随调制信号变化。这就造成了记忆效应。若只是简单重启，由于放大器驱动从峰值向下变化时通道温度较高，会造成在沿压缩曲线向上和向下驱动时的表现不同。对于 CDMA 信号，这会影响到后面的多个数据芯片，意味着较大的 EVM 和互调产物。
管理记忆效应
可以用不同方式表示记忆效应(图 4)。最直接的方法是使用自定义的 CDMA 编码，使平均功率较低，并且两个连续峰值具有相同的峰值功率。如果放大器的解调输出信号显示出不同幅度的峰值，则说明存在记忆效应。
图 4. 记忆效应
一种常被用来识别放大器记忆效应的方法是测量输出频谱。不相等的 IM 边带说明放大器存在记忆效应(图 5)。
图 5. 放大器输出频谱说明存在记忆效应
无记忆模拟预失真器只能改善失真的非记忆部分，因此必须优化放大器以达到最小的记忆效应。
造成记忆效应的原因有多个，并非所有原因都能够由电路设计人员左右。虽然很难降低 LDMOS 通道的发热，但对包括所有驱动器的有源器件进行适当散热非常关键。
合理的电路设计能够减轻记忆效应的影响。为了避免载波调制引起电源电压变化，有必要在调制带宽范围内对电源进行滤波。
优化最大增益时，通常要将输入偏置匹配优化于高阻抗，但这对非线性栅极电容影响较大。轻微的匹配失谐虽然降低了零点几分贝的放大器增益，但可显著改善记忆效应。经验²表明：如果对放大器进行优化，使其在超出信号带宽的较宽频率范围内保持平坦的传输特性，可有效降低记忆效应。当采用商用化 PA 测试板对 MAX2009 进行测试时，很难对测试板上的偏置电路进行改动。这时可让测试板工作于一个非优化频率，或尝试优化在放大器工作带宽的其它频率。如果对于不同频率，IM 边带形状不同，则表明由于不合理的电路设计造成了记忆效应；如果 IM 的改善程度随不同频率而变化，则表明匹配电路设计不理想，还有很大的改进余地。
最后，驱动末级放大器的驱动器输出阻抗也会带来一定影响。如果采用了商业化驱动放大器的 EV (评估)板，评估板一般针对 50Ω负载进行优化，实现较高增益和效率。但其输出阻抗在所要求的频率下一般并非“真正”的 50Ω。因此，最好利用网络分析仪测量实际的驱动器输出阻抗，采用并联电容或电感重新匹配，将输出阻抗的电抗分量优化至最小。某些情况下，此举能够提高预失真器的 IM 改善程度。虽然基于设计经验，但该方法很有效。然而，多数情况下很难确定功放最后一级的输入阻抗，因为实际测量中网络分析仪要求的输入功率过高。
AB 类放大器的预失真
目前，大多数使用非恒包络调制的应用(例如：WCDMA)都采用 AB 类放大器。因为这类放大器的效率比 A 类放大器高，并可满足线性要求。
图 6、图 7 和图 8 所示为带有 LDMOS 驱动放大器的 AB 类 LDMOS PA 的输出频谱，利用 MAX2009 模拟预失真降低 ACPR 以及 IM3。
图 6. POUT = 19W (Motorola® MW41C2230 和 MRF21085)时的输出频谱
测量条件(测量配置如图 9 所示)：
使用 3.84Mcps (3GPP)的双载波 WCDMA 信号
PB_IN* = 1.46V
PF_S1/2* = 4.1V
PD_CS1* = 5V
PD_CS2* = 0V
*不同控制电压的说明请参考 MAX2009/MAX2010 数据资料。
图 7. POUT = 38W (Motorola MW41C2230 和 MRF5P21180)时的输出频谱
测量条件(测量配置如图 9 所示)：
使用 3.84Mcps (3GPP)的双载波 WCDMA 信号
PB_IN = 1.52V
PF_S1/2 = 4.9V
PD_CS1 = 0V
PD_CS2 = 0V
图 8. POUT = 19W (Motorola 21085)时的单载波输出频谱
测量条件(测量配置如图 9 所示)：
使用 3.84Mcps (3GPP)的单载波 WCDMA 信号
PB_IN = 1.6V
PF_S1/2 = 5.0V
PD_CS1 = 5V
PD_CS2 = 0V
图 9 所示为实验中使用的典型测量配置。
图 9. 典型测量配置，请注意 ACPR 不包括 MAX2009 的失真，该失真可通过将 PB_IN 设置为 5V 使其最小。
如何正确调节 MAX2009/MAX2010
本文介绍的调节 MAX2009/MAX2010 的方法并不是唯一可行的方式，但实践证明该方法速度非常快，且能够达到最佳结果。
第 1 步：将预失真器插入通道。相位部分，8dBm 至 12dBm 平均输入功率，峰均比达到 10dB。仅连接相位部分，设置 PB_IN = 5V，关闭相位扩展。调节预失真器之后的增益 / 衰减，使 PA 具有正确的输出功率。
第 2 步：测量注入主 PA 的 ACPR。它应该比预失真器预计达到的目标 ACPR 至少高 3dB。
第 3 步：在标称斜率(PD_CS1 = 0V；PD_CS2 = 5V；PF_S1 = 5V)下，缓慢地向下调节 PB_IN。将频谱分析仪设置为快速扫描和低平均速率(均值 = 4)。降低 PB_IN 会加大预失真器产生的失真。调节 PB_IN 以获得最优性能。如果没有看到性能改善，则将 PB_IN 维持在性能开始劣化的位置。
如果没有找到性能开始劣化或改善的 PB_IN，则说明预失真器的平均输入功率太低，预失真器不能产生足够高的失真。如果 PB_IN = 5V 时 ACPR 下降，则说明预失真器的平均输入功率太高。
第 4 步：微调 PF_S1 和 PB_IN 以获得最佳性能。PF_S1 偏置变容二极管并可能超过 5V。调节控制，使上边带和下边带获得均等的 IM3/ACPR 性能。
如果在 PF_S1 > 5V 时获得最佳性能，将 PD_CS2 改为 0V，使最优 PF_S1 电压在 5V 范围内。
如果在 PF_S1 < 0.5V 时获得最佳性能，将 PD_CS1 改为 5V，使最优 PF_S1 电压大于 0.5V。因为 RF 信号会使变容二极管导通，所以较低的 PF_S1 电压不可取，会大幅降低性能。
第 5 步：调节 PA 的直流偏置电压进一步改善性能和效率。偏置电压的改变会改变下边带 / 上边带功率之差和相位之差。这是获得最佳性能的重要一步。
第 6 步：重复第 4 步和第 5 步，直到无法进一步改善性能为止。
相位部分具有一些与输入功率相关的寄生增益扩展。这种寄生效应可能有益，并且能够提供更多改善。一旦找到了初始配置的最佳调节，则用不同的平均输入功率进行实验，查看是否可获得进一步的改善。但是，必须谨慎操作，确保平均输入功率的改变不会降低所有前置驱动产生的 ACPR/IM3。
放大器的自热会影响性能，须确保温度稳定后调节放大器。
如果没有获得改善或只是确认预失真的结果，则应测量放大器的压缩效应。由于连续两个测量点之间增益扫描时间过长，不能使用网络分析仪进行测量。对于如此缓慢的测量，放大器有足够的时间适应新的功率电平。实际上，由于调制包络的原因，功率电平变化很快。若要描述实际工作条件下的放大器，必须通过使用激励信号测量失真，该激励信号呈现出与相应的调制方案相同的峰均比和带宽。Rohde & Schwarz³提供的 AMPTUNE 软件工具包能够对实际工作条件下 PA 的压缩特性进行测量。
图 10 所示为 180W LDMOS 晶体管在采用 MAX2009 预失真器进行预失真前后的 AM-PM 特性(38W 输出功率)。本例为 WCDMA 系统，利用一个峰均比为 10dB 的 5MHz 带宽噪声信号作为激励。
图 10. 用 AMPTUNE 软件³进行相位压缩测量
注意，该软件程序显示了压缩曲线以及计算扩展，这是对放大器进行线性化所必需的。
MAX2009/MAX2010 的其它应用示例
MAX2009/MAX2010 将相位和增益作为信号幅值的一个函数进行扩展，从而补偿放大器的压缩效应。并非必须在系统的最终频率处进行优化，也可以在 IF 级完成。这种方法将 MAX2009/MAX2010 的应用范围从 0.1GHz 扩展至 2.5GHz，适用于其它应用，例如卫星通信(图 11)。
图 11. 利用 MAX2009/MAX2010 在 IF 级进行预失真
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