专利名称：具有数字预失真的功率放大器的制作方法
具有数字预失真的功率放大器
本申请涉及一种放大器，特别是涉及一种利用化合物半导体晶体 管来放大经数字预失真的输入信号的功率放大器。
最近的无线电通信标准使用要求高线性度功率放大的复合调制方
案，诸如宽带码分多址(WCDMA)和正交频分复用(OFDM)。通常， 要求放大器在109 Hz级的微波频率下工作。
已经提出功率放大器使用数字预失真技术来获得必要的线性度。 但是，为了有效地运转，放大器的输出与输入信号之间的关系应独立 于输入信号的动态(dynamics)。其中输入信号的动态影响输出信号的 一种方式是记忆效应的作用。记忆效应是由晶体管内电子或空穴的俘 获或释放引起的，并依赖于前面的输入信号值改变晶体管的特性。
已经提出预失真算法包括无记忆项和记忆项两者以考虑记忆效 应。在指定频率下以全功率计算用于任何特定放大器的复系数。
在诸如WCDMA和OFDM的调幅信号中，功率级(power level)可 以以毫秒时间帧为单位快速改变。在这些情况下，因为假定为全功率 信号，所以降低了预失真算法的性能。放大器的线性度可能因此被降 低。线性度降低的一个后果是输出信号中出现互调产物的相对功率。
因此，本发明的一个目的是提供一种功率放大器，其中对于变化 的功率级的输入信号的输出信号的线性度得到改善。
本发明提供一种功率放大器，其具有漏极偏压和终端阻抗，该漏 极偏压和终端阻抗被选择为以使得对于指定的栅极偏压，DC输入信号
的漏极电流与脉冲输入信号的漏极电流是基本相同的。
根据本发明的一方面，提供了一种功率放大器，其包括
化合物半导体晶体管；
偏置电路，其用于设置化合物半导体晶体管的漏极偏压； 数字预失真器，其用于在输入信号被化合物半导体晶体管放大之
前使该输入信号预失真，其中，数字预失真器的系数是对于基频下的
最大功率的已调制信号计算的；以及
终端阻抗，其连接到化合物半导体晶体管；
其中终端阻抗和漏极偏压经选择以使得漏极电流与漏源电压的标 绘图的结果得到的负载线与经过化合物半导体晶体管的特性曲线上的 点的轨迹近似相同，在所述点处，漏极电流对于相同栅极偏压下的DC 信号和脉冲信号是基本相同的。
根据本发明的另 一 方面，提供了 一种用化合物半导体晶体管放大 信号的方法，该方法包括
选择用于化合物半导体晶体管的漏极偏压和终端阻抗，以使得漏 极电流与漏源电压的标绘图上的结果得到的负载线与经过化合物半导 体晶体管的特性曲线上的点的轨迹近似相同，在所述点处，漏极电流 对于相同栅极偏压下的DC信号和脉冲信号是基本相同的；使信号数字
预失真，其中，数字预失真器的系数是对于基频下的最大功率的已调
制信号计算的；以及
向化合物半导体晶体管提供经数字预失真的信号。
当漏源电压被视为与经过特性曲线上的点的轨迹近似相同时，这
意味着在特定栅极偏压下，所述电压通常在轨迹的值的约10%以内，优 选地在约5%以内，更优选地在约l。/。以内。同样，当漏极电流被视为对 于DC信号和脉冲信号基本相同时，漏极电流不需要是完全相同的，相 反，它们通常可以相互之间在约10%以内，优选地在约5%以内，更优 选地在约1%以内。
本发明基于这样的事实，即对于指定的栅极偏压，存在这样的漏 极电压和输出阻抗，在所述漏极电压和输出阻抗下，漏极电流对于脉 冲信号与对于DC信号是相同的，并且对于施加脉冲信号吋出现的静态 偏置点是不变的。如果放大器在这个点处工作，则导致记忆效应的俘
获效应不影响经数字预失真的放大器的动态行为(dynamic behaviour)， 结果得到改善的线性度。这个点的存在，以及其对于数字预失真放大 器的线性度的好处以前并不是公知的。
可以考虑输入信号的性质以导出对于终端阻抗的关系。在一个实 施例中，化合物半导体晶体管具有不变的轨迹(即经过化合物半导体 晶体管的特性曲线上的点的轨迹，在所述点处，漏极电流对于DC信号 和脉冲信号是基本相同的)，该轨迹近似为直线。在本实施例中，化 合物半导体晶体管在B类下工作，并且终端阻抗的值为，
其中Io是最大漏极电流，Vd。是漏极偏压，X是要被放大的信号的基 频的振幅。
在另 一 个实施例中，化合物半导体晶体管具有二次不变轨迹 (quadratic invariant locus)。在本实施例中，化合物半导体晶体管在B类 下工作，并且终端阻抗的值为，
其中I(,是最大漏极电流，Vdc是漏极偏压。
在进一步的实施例中，化合物半导体晶体管具有恒定漏极电压下
的不变轨迹。在本实施例中，化合物半导体晶体管在B类下工作，并且 终端阻抗的值为，
其中I(,是最大漏极电流，Vdc是漏极偏压。
根据本发明的另一方面，提供了--种功率放大器，其包括 化合物半导体晶体管；
偏置电路，其用于设置化合物半导体晶体管的漏极偏压； 数字预失真器，其用于在输入信号被化合物半导体晶体管放大之
前使该输入信号预失真，其中，数字预失真器的系数是在基频下对于 最大功率的连续信号计算的；以及
终端阻抗，其连接到化合物半导体晶体管；
其中，终端阻抗和漏极偏压经选择以使得在紧随于脉冲调制信号 和脉冲连续波信号被施加到晶体管之后漏极电流中基本不存在瞬态效 应。
当信号己在几毫秒内——例如约20 ms，优选地约IO ms，更优选 地约5ms——回到其静态电平(quiescent level)时，通常基本上不存在 瞬态效应。
根据本发明的另一方面，提供了一种用化合物半导体晶体管放大 信号的方法，该方法包括
选择用于化合物半导体晶体管的漏极偏压和终端阻抗以使得在紧 随于脉冲调制信号和脉冲连续波信号被施加于晶体管之后漏极电流中 基本不存在瞬态效应；
使信号数字预失真，其中数字预失真器的系数是对于基频下的最 大功率的连续信号计算的；以及
向化合物半导体晶体管提供经数字预失真的信号。
通过选择漏极偏压和终端阻抗以降低瞬态效应，俘获效应不影响 动态信号，改善了输出信号的线性度。
在任何上述方面和实施例中，化合物半导体晶体管可以是任何化
合物半导体器件，例如GaAs、 InP、或GaN器件。
现在将参照附图通过举例描述本发明的实施例，在所述附图中 图l绘出在各种栅极电压偏置点处GaAs晶体管的漏极电流Id与漏 源电压Vd的对比；
图2绘出示出本发明的原理的、根据
图1的不变轨迹；
图3绘出根据本发明的 一 个实施例的负载线；
图4绘出具有已调制的GaN晶体管的典型测量的响应和其中漏极 偏压(Vde)未经优化的CW信号；
图5和6示出逐渐增大信号功率直至C W和已调制信号的瞬态效应 为相同的效应；
图7绘出具有相同的峰值功率的已调制和CW脉冲信号，对于所述 信号，在本发明的实施例中，已消除瞬态效应；
图8绘出如本领域中所己知的非优化输出电路的互调性能；
图9绘出根据本发明优化的输出电路的互调性能；
图10示出根据本发明优化的输出电路与脉冲信号的随时间的互调
行为的结果。
图11绘出用于进行近似的、本发明的优化输出的不变轨迹的更一
般形式；
图12绘出根据本发明的另 一实施例的负载线； 图13绘出根据本发明的进一步实施例的负载线；
本发明被应用于标准功率放大器电路，如本领域通常己知地，其 包括半导体化合物晶体管和数字预失真器。数字预失真器可以在现场 可编程门阵列(FPGA)或可编程DSP中实现。它还可以用微处理器实 现。
数字预失真器包括记忆项和无记忆项两者。系数是依照本领域中 已知的标准实践对于基频的最大功率的连续输入信号计算的。
功率放大器电路包括建立负载阻抗的终端网络。偏置电路建立漏 极偏压。这样的电路通常为本领域技术人员所公知。本发明的实施例 在选择用于基频处的终端网络的特定值方面和在漏极偏压方面与现有 技术不同。如下面将更详细地描述地，终端阻抗和漏极偏压的选择回 引起经改善的线性度。
本发明的所有实施例都控制化合物半导体晶体管使得由终端阻抗 和漏极偏压的选择引起的负载线近似于点的轨迹，在所述点处，漏极 电流对于脉冲信号与对于D C信号是相同的，并且对于在施加脉冲信号 时出现的静态偏置点是不变的。
这些点的存在可以通过对化合物半导体晶体管进行的实验来证
明。图1示出在各种栅极电压偏置点处对于GaAs晶体管的漏极电流Id与 漏源电压Vd的对比的图。曲线2是在DC条件下。迹线4和6是相同的栅极 偏压设置的标绘图(pot)，其具有不同的静态漏极偏压条件和施加的 宽度为0.5ii s持续时间的小占空因数脉冲。低漏极电压下漏极电流的减 小主要是由电子俘获引起的。较高漏极电压下漏极电流的增大主要是 由空穴俘获引起的。
图l示出对于每个栅极偏压，存在这样的漏极电压，漏极电流在该 漏极电压下与DC电流相同并且对于施加脉冲信号时出现的静态偏置点 是不变的。图2绘出这些漏极电压的近似轨迹8，其形成根据本发明的 负载线。可以看出在这种情形中轨迹近似于直线。
本发明提供一种RF阻抗终端使得晶体管在遵循图2中的点的轨迹8 的负载线上工作。需要的阻抗终端可以通过用关于对晶体管的工作的
限制的知识进行分析晶体管来进行近似。
为了达到最高效率，放大器在B类中工作。在那样的情形中，漏极 电流Id的形式为
=0611 —2;r
(1)
其中I。是漏极电流的振幅。傅立叶级数表示为
<formula>formula see original document page 11</formula>(2)
如果输出电压受限于缺少谐波，贝U:
X是基频的振幅并且X《1。根据这个分析，I-V平面中的轨迹(图 2中的负载线)是<formula>formula see original document page 11</formula>
(4)
和
<formula>formula see original document page 11</formula>
等式(4)是直线，其斜率为
见
(6)并且当I二O时，V = Vdc。结果得到的轨迹10在图3中示出。
如果终端负载是基频下的电阻器，值为R，则来自等式(2)和(3)
,。 w
因此，负载线的斜率为-R/2。因此，Vde和R的值可以经选择以致 结果得到的负载线遵循图2中所示的轨迹8 。
或者，还可以通过向化合物半导体晶体管施加脉冲调制或连续波 (CW)来确定Vde和R。以紧随已去除脉冲之后的时间的函数测量漏极 电流。这可以通过测量漏极/源极电路中的电阻器两端的电压来执行。 图4绘出具有已调制信号12的GaN晶体管的测量的典型响应，和具有未 经优化的漏极偏压(Vdc)的CW信号14。这两个信号的平均功率是相同 的。图4还绘出静态电平16。可以看到已调制信号上的下冲明显大于CW 信号的，这指示所述效应是俘获相关的而非热相关的。图5和6示出逐 渐增大信号功率直至CW与已调制信号的瞬态效应相同的效应(图6)。 这发生在相同的峰值信号电平(peak signal level)下并因此非常可能是 由俘获效应引起的。
如果随后在基频下与有效荷载阻抗一起调节漏极电压，则可以基 本上消除瞬态效应。图7绘出对于具有相同峰值功率的己调制和C W脉 冲信号的这个结果。
作为本发明达到最佳负载和漏极电压偏置条件的证明，用全功率 WCDMA信号来确定用于向化合物半导体晶体管提供信号的数字预失 真器的系数。图8绘出非优化输出电路的互调性能。全功率信号由迹线 18绘出，功率下降6dB的输入信号由迹线20示出。输入信号的功率下降 6dB时，互调产物增加15dB。图9绘出优化输出电路的互调性能。全功率信号由迹线22绘出，功率下降6dB的输入信号由迹线24示 出。输入信号的功率下降6dB时，互调产物的功率仅增加3dB。
图10示出脉冲信号的行为的测量的结果。在3MHz带宽内，作为吋 间的函数测量三阶互调产物的功率。非优化电路由迹线26绘出，优化 电路由迹线28示出。作为时间的函数，优化的解明显更好。
在上述讨论的情形中，轨迹被近似为直线，通常这将不是对于大 多数晶体管的情形。图11中示出轨迹30的更一般的解。与这个轨迹相 应的负载线是通过增大输入信号使得输出电路开始饱和来近似的。一 个这样的输出电流是
<formula>formula see original document page 13</formula>(8)
傅立叶级数为
<formula>formula see original document page 13</formula>
(9)
如果输出电压再次受限于缺少谐波，则
<formula>formula see original document page 13</formula> (10)
其中X《1。因此，X二l时，IV平面中的轨迹为
<formula>formula see original document page 13</formula>
(11)
图2中示出这个轨迹32。如果由下式给出负载电阻，则所述轨迹
很近似于图ll:
<formula>formula see original document page 14</formula>
如果进一步增大输入信号，则电流趋向于由下式定义的方波:
/ = 6 = 0 — ;r =0(9 = ;r ~> 2;r
(13)
它的傅里叶级数为<formula>formula see original document page 14</formula>
在极限情形(limiting case)中的轨迹是图13中绘出的轨迹34，其
具有<formula>formula see original document page 14</formula>
虽然已参照单个化合物半导体晶体管描述的实施例，但是在替代 实施例中可以使用超过 一 个的晶体管。
权利要求
1. 一种功率放大器，其包括化合物半导体晶体管；偏置电路，其用于设置所述化合物半导体晶体管的漏极偏压；数字预失真器，其用于在输入信号被所述化合物半导体晶体管放大之前使该输入信号预失真，其中，在基频对于最大功率的已调制信号计算所述数字预失真器的系数；以及终端阻抗，其连接到所述化合物半导体晶体管；其中，所述终端阻抗和漏极偏压被选择为以使得漏极电流与漏源电压的标绘图上所得到的负载线与经过所述化合物半导体晶体管的特性曲线上的点的轨迹近似相同，在所述点处，所述漏极电流对于相同的栅极偏压下的DC信号和脉冲信号基本相同。
2. —种利用化合物半导体晶体管放大信号的方法，该方法包括 选择所述化合物半导体晶体管的漏极偏压和终端阻抗以使得漏极电流与漏源电压的标绘图上所得到的负载线与经过所述化合物半导 体晶体管的特性曲线上的点的轨迹近似相同，在所述点处，所述漏极电流对亍相同栅极偏压下的DC信号和脉冲信号是基本相同的；使所述信号数字预失真，其中，在基频对于最大功率的已调制信 号计算所述数字预失真器的系数；以及将所述数字预失真的信号提供至所述化合物半导体晶体管。
3. 如权利要求1所述的功率放大器或如权利要求2所述的方法，其 中，所述化合物半导体晶体管在B类下工作，并且所述终端阻抗的值为其中，Io是最大漏极电流，Vde是漏极偏压，X是要被放大的信号的 基频的振幅。
4.如权利要求1所述的功率放大器或如权利要求2所述的方法，其中，所述化合物半导体晶体管在B类下工作，并且所述终端阻抗的值为，其中，Io是最大漏极电流，Vdc是漏极偏压。
5. 如权利要求1所述的功率放大器或如权利要求2所述的方法，其 中，所述化合物半导体晶体管在B类下工作，并且所述终端阻抗的值为，2 /0其中，Io是最大漏极电流，Vde是漏极偏压。
6. —种功率放大器，其包括化合物半导体晶体管；偏置电路，其用于设置所述化合物半导体晶体管的漏极偏压； 数字预失真器，其用于在输入信号被所述化合物半导体晶体管放大之前使该输入信号预失真，其中，在基频对于最大功率的连续信号 计算所述数字预失真器；以及终端阻抗，其连接到所述化合物半导体晶体管；其中，所述终端阻抗和漏极偏压被选择为以使得在紧随于脉冲 调制信号和脉冲连续波信号被施加到所述晶体管之后，所述漏极电流 中基本没有瞬态效应。
7 —种利用化合物半导体晶体管放大信号的方法，该方法包括 选择所述化合物半导体晶体管的漏极偏压和终端阻抗以使得在紧随于脉冲调制信号和脉冲连续波信号被施加于所述晶体管之后，所 述漏极电流中基本不存在瞬态效应；使所述信号数字预失真，其中，在基频对于最大功率的连续信号 计算所述数字预失真器的系数；以及将所述数字预失真的信号提供至所述化合物半导体晶体管。
8.如前述权利要求中的任何一项所述的功率放大器或方法，其 中，所述化合物半导体晶体管是GaAs、 InP或GaN器件。
全文摘要
讨论了一种利用数字预失真的化合物半导体晶体管的功率放大器。该放大器具有经改善的线性度。对于指定的栅极偏压，存在这样的漏极电压，在所述漏极电压下，漏极电流对于脉冲信号与对于DC信号是相同的，并且对于施加脉冲信号时出现的静态偏置点是不变的。如果放大器在这个点处工作，则导致记忆效应的俘获效应不影响数字预失真的放大器的动态行为，结果得到改善的线性度。这个点的存在，以及其对于数字预失真放大器的线性度的好处以前并未被认识到。
文档编号H03F3/20GK101379697SQ200780004441
公开日2009年3月4日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年2月3日
发明者约翰·戴维·罗兹 申请人:菲尔特罗尼克公开有限公司