基于LDMOS的TD-SCDMA射頻功率放大器

基于LDMOS的TD-SCDMA射頻功率放大器

TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址接入)是第三代移動(dòng)通信三大主流標(biāo)準(zhǔn)之一，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通信標(biāo)準(zhǔn)，它標(biāo)志著中國(guó)在移動(dòng)通信領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)行列，目前，TD-SCDMA的商用化進(jìn)程正在順利地進(jìn)行之中[1]。TD-SCDMA系統(tǒng)采用的是QPSK/8PSK調(diào)制，在高速的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，更是采用了如16QAM這樣的調(diào)制方式。這些調(diào)制方式都屬于非恒包絡(luò)調(diào)制。由于調(diào)制信號(hào)在幅度和相位上都存在誤差，用單純的相位誤差和頻率誤差已不足以反映信號(hào)的調(diào)制精度，于是引入了誤差矢量幅度（EVM）指標(biāo)來(lái)衡量傳輸信號(hào)的質(zhì)量。在現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，EVM是衡量射頻功率放大器性能的重要指標(biāo)之一[2-3]。在頻分雙工模式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于收發(fā)信的頻率是不同的，因此射頻功率放大器與接收機(jī)同時(shí)處于工作狀態(tài)，影響射頻功率放大器EVM性能的主要因素是功率放大器的非線性特性以及傳輸信號(hào)的峰均比等。而在TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于采用時(shí)分雙工模式，收發(fā)信機(jī)不能同時(shí)工作，即用于發(fā)射信號(hào)的射頻功率放大器根據(jù)系統(tǒng)要求分時(shí)工作[4]。除上述因素會(huì)影響射頻功率放大器的EVM指標(biāo)，本文通過(guò)對(duì)基于Freescale生產(chǎn)的LDMOS晶體管MW6IC2240構(gòu)成的射頻功率放大器研究，以及建立相應(yīng)的電路模型，主要研究了射頻功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)上升時(shí)間對(duì)其EVM性能的影響，根據(jù)仿真和測(cè)試結(jié)果，得到在TDD模式下影響射頻功率放大器EVM性能的電路參數(shù)，提出了改進(jìn)的TD-SCDMA射頻功率放大器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其EVM性能接近頻分雙工模式下的性能。TD-SCDMA射頻功率放大器TD-SCDMA不同于WCDMA、CDMA2000等第三代移動(dòng)通信體制，它采用了TDD模式，它的接收和發(fā)射是在同一個(gè)頻率下分時(shí)進(jìn)行的，這就需要用開(kāi)關(guān)來(lái)保證通信系統(tǒng)收發(fā)信號(hào)的正常切換。因此，時(shí)分雙工模式下的TD-SCDMA射頻功率放大器也不同于WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)中的射頻功率放大器的工作狀態(tài)，而是工作在時(shí)分雙工模式下，即只在系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的時(shí)隙內(nèi)工作，在其他時(shí)隙內(nèi)必須關(guān)閉，以避免系統(tǒng)自激。這不僅保證了系統(tǒng)的有序運(yùn)行，也提高了系統(tǒng)效率和頻譜利用率。射頻功率放大器的工作狀態(tài)是由其偏置來(lái)決定的。如果給功率放大器加一個(gè)固定的偏置電壓，則其一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，這里定義為常開(kāi)模式；而要使功率放大器工作在時(shí)分雙工模式下，可以通過(guò)控制功率放大器柵極偏置電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，該控制信號(hào)根據(jù)TD-SCDMA的物理信道信號(hào)特點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生。這里用Freescale的LDMOS功率放大晶體管MW6IC2240設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出功率為2W的三載波TD-SCDMA功率放大器。MW6IC2240的功能框圖如圖1所示，它包含了兩級(jí)放大，其飽和輸出功率大于40W。圖1中的VDS1和VDS2是功率放大器的漏極供電，這里加28V的固定電壓；VGS1和VGS2則是功率放大器柵極供電端，分別給其加上固定電壓和受系統(tǒng)控制的偏置電壓就能使其分別工作于常開(kāi)模式和時(shí)分雙工模式。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，其常開(kāi)模式和時(shí)分雙工模式下的EVM指標(biāo)如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著輸出功率的增大，EVM指標(biāo)不斷惡化，這是由于隨著輸出功率接近功率放大器的1dB壓縮點(diǎn)，非線性失真開(kāi)始明顯增大，非線性失真則會(huì)嚴(yán)重地影響EVM指標(biāo)，這在其他許多文章中都有報(bào)道；這里主要研究功率放大器在時(shí)分雙工模式下(即正常工作模式）的EVM值總是比常開(kāi)狀態(tài)下的EVM值大，即功率放大器在時(shí)分雙工模式下工作對(duì)信號(hào)有所惡化，由圖2可以看出，功率放大器處于時(shí)分雙工模式下的EVM值比常開(kāi)模式時(shí)高大約0.5%（此時(shí)時(shí)分雙工方式下功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)上升時(shí)間為1.5us）。下面主要分析產(chǎn)生這種差異的原因。功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)EVM影響分析功率放大器在時(shí)分雙工模式下與TD-SCDMA信號(hào)幀特點(diǎn)密切相關(guān)。TD-SCDMA的一個(gè)子幀的長(zhǎng)度為5ms，由7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙組成，如圖3所示。這里主要考慮常規(guī)時(shí)隙：在TDMA信道上一個(gè)時(shí)隙中的信息格式稱為突發(fā)，TD-SCDMA系統(tǒng)采用的突發(fā)結(jié)構(gòu)如圖3所示，突發(fā)由兩個(gè)長(zhǎng)度分別為352chip的數(shù)據(jù)塊、一個(gè)長(zhǎng)度為144chip的中間碼和一個(gè)長(zhǎng)度為16chip的保護(hù)時(shí)隙（GP）組成[5]。由圖3可知，TD-SCDMA的常規(guī)時(shí)隙的最前面就是一個(gè)352chip的數(shù)據(jù)塊，其中包括了許多TD-SCDMA信號(hào)的系統(tǒng)信息。而射頻功率放大器對(duì)柵極輸入的脈沖偏置方波電壓總有一個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)，特別是上升時(shí)間的影響。于是產(chǎn)生了對(duì)TD-SCDMA信號(hào)削波的現(xiàn)象，會(huì)造成部分?jǐn)?shù)據(jù)符號(hào)丟失，因此造成對(duì)TD-SCDMA傳輸信號(hào)EVM指標(biāo)的惡化。如圖2中的時(shí)分雙工模式下EVM指標(biāo)就是在偏置電壓上升時(shí)間為1.5us情況下的測(cè)試數(shù)據(jù)。功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)不僅與器件本身有關(guān)，還與偏置電路的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。為了更好地分析功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)，這里根據(jù)晶體管的模型用二階R-C網(wǎng)絡(luò)來(lái)等效分析功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)，如圖4所示。其中，C1、R1、R2代表功率晶體管的等效參數(shù)；而C2、R3、R4則是功率放大器的供電電路參數(shù)。當(dāng)功率放大器打開(kāi)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)J1的3腳與1腳相連，電源V1對(duì)電容進(jìn)行充電，可見(jiàn)電路的上升時(shí)間不僅與功率晶體管的電容C1有關(guān)，還與供電電路的濾波電容C2和電阻R4有關(guān)。在實(shí)際的應(yīng)用中，R4一般選取10?贅，而由于上升時(shí)間不能太大，濾波電容只能選擇pF量級(jí)的。但功率放大器關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)J1的3腳與2腳相連，此時(shí)電路通過(guò)阻值很小的電阻R3來(lái)放電，從而保證功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)下降時(shí)間足夠短。功率放大器瞬態(tài)響應(yīng)上升時(shí)間與圖4中的C1、R1和R4密切相關(guān)，其中C1和R1是管子內(nèi)部的參數(shù)，由所使用的功率晶體管型決定；而R4與偏置電路有關(guān)，可以通過(guò)改變R4的大小來(lái)改變整個(gè)功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)。圖5就是在R4的不同阻值下的功率放大器電路的瞬態(tài)響應(yīng)。從圖中可以看出，當(dāng)R4=10Ω時(shí)，功放的柵極偏置電壓的上升時(shí)間為0.6us；當(dāng)R4=20Ω時(shí)，上升時(shí)間變?yōu)?.1us；當(dāng)R4=30Ω時(shí)，上升時(shí)間為1.6us。也就是說(shuō)，隨著電阻R4阻值的增大，功率放大器柵極偏置電壓的上升時(shí)間也隨之增大。

圖6給出了偏置電路中R4不同取值時(shí)功率放大器的EVM測(cè)試值。從圖6可以看出，偏置電壓上升得越快，對(duì)EVM的惡化越??；反之，對(duì)EVM的惡化就越大。測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)，如果上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至可能導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法解調(diào)。由此可見(jiàn)，功率放大器瞬態(tài)響應(yīng)的上升時(shí)間與EVM確實(shí)有著必然的聯(lián)系。根據(jù)TD-SCDMA相關(guān)規(guī)范，要求收、發(fā)切換時(shí)開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間必須小于2?滋s，這正是從保護(hù)信號(hào)完整傳輸和避免EVM指標(biāo)惡化這方面來(lái)考慮的。而通過(guò)選擇合適的功率放大器晶體管并設(shè)計(jì)合適放大器的偏置電路和開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，完全可以滿足國(guó)家提出的標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以使得開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間小于1us。功率放大器偏置電壓控制信號(hào)設(shè)計(jì)如圖6所示，即使功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)上升時(shí)間小至1us，放大器工作在時(shí)分雙工模式時(shí)的EVM仍然大于1.2%，仍然大于功率放大器處于常開(kāi)模式下的EVM指標(biāo)，即功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)仍然對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成了惡化。顯然，由于功率放大器本身以及偏置電路的影響，功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)上升時(shí)間不可能為零，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生削波現(xiàn)象，從而惡化EVM指標(biāo)。為了避免功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)上升時(shí)間對(duì)EVM的影響，就必須保證在TD-SCDMA信號(hào)到來(lái)時(shí)，功放的瞬態(tài)響應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，即功放開(kāi)關(guān)已經(jīng)完全打開(kāi)。因此，必須把功放的打開(kāi)時(shí)間提前。由于TD-SCDMA系統(tǒng)是一個(gè)同步系統(tǒng)，具有統(tǒng)一的時(shí)鐘參考和同步控制，因此實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的提前打開(kāi)控制并不困難，本文對(duì)此不作論述。至于開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量設(shè)為多少比較合適，則要根據(jù)具體的功放電路的瞬態(tài)響應(yīng)速度來(lái)決定。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)功放開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間為1.5us時(shí)，改變開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量，得到相應(yīng)情況下的EVM數(shù)值如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)功放開(kāi)關(guān)不提前打開(kāi)時(shí)，EVM值大于1.5%；而隨著打開(kāi)提前量的逐漸增加，EVM的值也逐漸減??；當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量增加到與該功放打開(kāi)的上升時(shí)間相當(dāng)時(shí)(本例中為1.5us)，EVM數(shù)值則下降到與常開(kāi)模式下的EVM數(shù)值完全相同的水平；若繼續(xù)增大開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量，EVM則保持不變。由此可知，當(dāng)功放開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量不小于功放本身的打開(kāi)上升時(shí)間時(shí)，功放在TD-SCDMA信號(hào)到來(lái)時(shí)就已經(jīng)處于完全打開(kāi)的狀態(tài)，瞬態(tài)響應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，也就不會(huì)產(chǎn)生對(duì)信號(hào)的削波現(xiàn)象，自然也就不會(huì)對(duì)EVM有額外的惡化。由圖3可以看出，在TD-SCDMA常規(guī)時(shí)隙之間，只有12.5us的保護(hù)間隔（GP），也就是在上、下行切換的可變切換點(diǎn)，只有12.5us的上、下行保護(hù)時(shí)間?？紤]到必須保證上、下行之間要有很好的隔離效果來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)家規(guī)定上行(或下行)開(kāi)關(guān)完全關(guān)斷與下行(或上行)開(kāi)關(guān)開(kāi)始打開(kāi)之間必須有大于3us的保護(hù)時(shí)間；而且TD-SCDMA收發(fā)設(shè)備本身還可能有3?滋s～5?滋s的延時(shí)。因此即使可以通過(guò)開(kāi)關(guān)的提前打開(kāi)來(lái)減小EVM的惡化，開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量也是嚴(yán)格受限的。例如：由于下行開(kāi)關(guān)的打開(kāi)提前量過(guò)大可能造成上行還未完全關(guān)斷時(shí)，上行就已經(jīng)打開(kāi)的情況，此時(shí)上、下行同時(shí)工作，很容易產(chǎn)生自激等不穩(wěn)定的后果，造成系統(tǒng)故障。因此，國(guó)家對(duì)上下行之間的保護(hù)時(shí)間、上下行功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度以及上下行功率開(kāi)關(guān)的打開(kāi)提前量和關(guān)閉滯后量都有明確而嚴(yán)格的規(guī)定，這里不作具體介紹。從上面的分析可以看出，在開(kāi)關(guān)的打開(kāi)速度夠快的前提下(小于2?滋s)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的提前開(kāi)啟(開(kāi)關(guān)的打開(kāi)提前量不小于開(kāi)關(guān)打開(kāi)的上升時(shí)間)可以使得功放在時(shí)分雙工模式下的EVM指標(biāo)達(dá)到常開(kāi)模式下的水平，即此時(shí)開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)響應(yīng)并不會(huì)使信號(hào)質(zhì)量惡化，功放能夠良好運(yùn)行。本文分析了TD-SCDMA功率放大器的EVM指標(biāo)在時(shí)分雙工模式下和常開(kāi)模式下的區(qū)別。通過(guò)對(duì)功放的瞬態(tài)響應(yīng)解釋了功放在時(shí)分雙工模式下對(duì)EVM的惡化主要來(lái)自于功率開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間的限制，即開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)EVM造成的惡化越大。為了