無線設備行業竭力削減設備的成本、尺寸和功耗，而提升高功率放大器的功率附加效率(PAE)仍然是一個極具挑戰性的目標。目前有多種技術正在研發之中。大多數情況下，任何技術的商業化都將取決于能否開發出突破性的技術。本文主要討論用來提高PAE的一些技術以及支持該技術的一些RF信號處理模塊。

峰均比

圖 1 所示為一個 20 MHz 帶寬正交頻分多路復用(OFDM)信號的時間包絡。該信號包括大量碼元速率相對較低的正交 QAM調制子載波。基于 OFDM 的無線傳輸正變得越來越流行，部分原因是低碼元速率的子載波對衰落相對不敏感。它目前用于無線LAN和 WiMax系統，將來也會用于下一代長期演進(LTE)移動數據和語音系統。高級 OFDM 系統允許子載波的調制隨著工作和環境條件的改變而變化。例如，如果一個用戶位于小區的邊緣，系統可能決定用正交相移鍵控方法來調制子載波，這就需要相對較低的信噪比，才能成功進行解調。其代價是數據速率相對較低。另一方面，如果用戶靠近小區中心并需要高數據速率，則可以發射更高階調制子載波，從而帶來更高的數據速率。

圖 1. 20 MHz 帶寬正交頻分多路復用(OFDM)載波的時間包絡。

更高階 QAM 信號（如 64-QAM 和 128-QAM）具有高峰均比，而 OFDM 信號可以輕松包括 1024 個子載波，因此 OFDM 信號的峰均比也很高。圖 1 清楚地顯示了這一點。從圖 1 中還可以看到，該信號也有一些深谷。因此，雖然一般是討論峰均比，但稍后我們會看到，當設計更高效率的功率放大器時，信號的峰值最小值比（可能達到 40 dB）也具有重要意義。

圖 2 顯示了一個功率放大系統的最基本框圖。提供給負載的電流由高功率放大器(HPA)電源（本例中為±4V）發出。有效值輸出信號具有有效值電平(VRMS)和峰值電平(VPEAK)。為獲得良好的信號保真度，輸出信號與電源之間必須存在足夠的裕量，使得信號波峰不會被削波。

圖 2.  高峰均比信號的功率放大

這一裕量要求導致該系統存在效率低下的弱點。如果信號具有高峰均比，則電源必須偏置以支持峰值電平，有效值而不是有效值電平。

假設輸出有效值有效值電平為 1Vrms，并且信號的峰均比為 4，即 12 dB。這意味著，信號的峰值為 4 V，峰到峰擺幅為 8 V。因此，系統的絕對最小電源電壓可能是±4 V（單電源系統則為8 V）。提供給負載的功率等于 20 mW (1 V x 1 V/50)，負載電流等于 20 mA。然而，電源提供的功率等于 80 mW (4 V x 20 mA)。因此，效率只有 25% (100 x (20 mW/80 mW))。

雖然上例并不能真正代表一個實際的系統，但它確實說明傳輸高峰均比信號自然會降低功率放大系統的效率。

漏極調制

圖 3 顯示了一個嘗試解決上述裕量問題的替代功率放大方案。本例中，輸入信號分為兩部分。一部分信號是受限的，即放大到飽和狀態，但其相位信息保持不變。另一部分信號則施加于一個包絡檢波器，然后利用包絡檢波器的輸出來調制 PA 的電源，這樣可以確保 PA 的偏置電壓僅在需要時才變為高電壓，從而顯著節省常備功率，提高電源效率。

圖 3.  包絡消除與恢復或漏極調制

這樣的系統通常稱為包絡消除與恢復(EER)或漏極調制（其中“漏極”指功率 FET 晶體管的漏極），要實現它并不容易，包絡路徑中存在非常艱巨的挑戰。對于帶寬為 20 MHz 的載波，其包絡帶寬也是 20 MHz。這意味著，為了避免相位延遲，包絡檢波器和 PA 電源的帶寬至少必須與 20 MHz 一樣快，可能需要比 20 MHz 快得多。對于需要提供數十或數百瓦功率的電源，其難度非常大。迄今為止，漏極調制主要用于帶寬只需數百 KHz 的窄帶系統，例如單載波 GSM-EDGE 手機傳輸等。

包絡檢波技術的最新進展有助于將這一架構變為現實。圖 4 所示為 ADI 公司最近發布的 TruPWR™ RMS 和包絡檢波器ADL5511 的功能框圖。

ADL5511 通過一路 RF 輸入提供兩路獨立的輸出。VRMS 引腳的電壓相當于輸入信號的 RMS 電壓（放大 3 倍）。VENV 引腳的電壓相當于輸入信號的包絡。VENV 輸出參考 EREF 輸出提供的 1.1 V 固定電壓。讓包絡輸出電壓參考非零值可以確保凈包絡電壓(VENV-VEREF)的擺幅可以一直達到 0 V，并且失調電壓誤差非常低。

圖 4. ADL5511 功能框圖

ADL5511 支持-25 dBm 至+15 dBm 的輸入功率水平，即動態范圍為 40 dB。在整個溫度范圍內，RMS 和包絡輸出的精度為± 0.25 dB。該檢波器還能在 1 MHz 至 4 GHz 的寬輸入頻率范圍工作，而不需要外部巴倫或外部電抗性匹配。

通過 ADL5511 的包絡延遲已降至小于 5 nS 的最低水平。因此，要傳輸的信號與漏極調制包絡能夠保持精密同步，而不需要使用長延遲線。

除了漏極調制以外，PA 設計人員還可以利用 VRMS 和 VENV輸出及外部峰值保持運放電路來計算輸入信號的峰均比。此外，也可以利用 ADI 公司內置峰值保持電路的 RMS 和包絡檢波器 ADL5502 來測量峰均比。

圖 5. ADL5511 的包絡和 rms 響應圖

圖5顯示了ADL5511的RMS和包絡輸出對單個寬帶碼分多址(WCDMA)載波的響應。黃色實線表示 WCDMA 載波。藍色線表示器件的 VENV 輸出。碼片速率為 3.84 MHz，WCDMA 信號的載波帶寬也是 3.84 MHz。由于 ADL5511 包絡輸出的帶寬約為 80 MHz，因此 VENV 輸出能夠精確地追隨快速變化的包絡。此外，該檢波器的 40 dB 檢波范圍（適用于 RMS 和包絡兩路輸出）能夠確保捕捉到信號的峰值和谷值。

圖 5 還顯示了一條直線（粉紅色），有效值它表示輸入信號的有效值電壓（放大 1.5 倍）。該輸出信號由連接到 FLT4 引腳的RMS 均值電容(1 µF)進行平均。雖然此電容大大延緩了有效值輸出的響應時間，但它對包絡輸出的響應無任何影響。

總結

通過提供快速包絡帶寬和 40 dB 的信號檢波范圍，ADL5511有助于實現全模擬漏極調制方案，即系統中驅動快速開關電源的包絡信號由經調制的原始載波產生。在此類方案中，附加的RMS 輸出可以用于縮放最終輸出功率水平。

作者：Eamon Nash，RF 應用工程師，ADI 公司