功率放大器中的记忆效应

第三章射频功率放大器的记忆效应记忆效应,定义为由带宽决定的非线性效应,是本章的主题.射频功率放大器在 现代无线电通信中起着重要的作用,然而其相应的设计目标却使得功放的性能优化 变得十分困难.在第二章中已经讨论过线性,一会儿将在第3.1节中研究直流到射频 的转换质量,它包括了射频功率放大器的主要问题,也就是线性和效率之间的平衡问 题.为了提高此平衡,功放可以通过设计来达到高的效率,然而却牺牲了线性.于是, 需要通过外部的线性化方法来使功放满足线性要求.然而不幸地是,记忆效应却引起 了信号波段内互调音调的变化.尽管记忆效应并没有显著地减少功放本身的线性,却降低了所用的线性化方法 的性能,因此使得效率和线性之间的平衡产生恶化.在3.1节中定义了功放效率,3.2节讨论了最常用的线性化方法以及记忆效应对 其的影响.然后3.3节,3.4节,3.5节讲述射频功率放大器内部不同类型的记忆效应, 例如区分由非常量阻抗引起的电记忆效应和由动态自我加热引起的电热记忆效 应.3.5节介绍了在适当信号幅度时出现的由幅度决定的记忆效应.3.1 效率功放的效率描述了被转换为射频功率的直流功率部分,表示如下:其中，匕儿IT是输出射频功率，心i是来自直流源的功率然而，附加功率效 应(PAE),考虑到了输入信号的功率，表示如下：其中，儿N是输入信号的功率,G是功放的增益.移动电话的最大发射功率通常在1W左右，基站的功率更咼.然而,调制器或上变 频混频器只能够产生lmW以下的发射信号.结果，在发射链路中需要一个大的功率增 益, 它使用一级一级的级联来产生期望的输出特性. 两级级联的总效率计算如下:tot = j*O其中Hi和匚分别是第一级的集电级效率和第二级的漏级效率（非附加功率 效应PAE）, G2是末级的增益从（3.3）可以看出，系统的总效率主要由末级的效率决 定. 假设末级效率是50%, 对应增益是15 dB. 如果前级效率从20%增加到30%, 总效率 只增加了1%（从46%变到47%）上面的计算表明, 若要提咼总体效率, 必须提咼末级效率. 因此, 大部分努力应该 放在末级效率和线性的平衡上. 由于功放的前级设计不会有太大问题, 本书将重点放 在功放末级的设计上. 多级功放设计也会遇到一些额外的困难, 这起因于级间的匹配, 例如, 文献中 1-3 已详细涵盖了这些改进措施, 本书中没有必要再进行重复, 即使 是这里出现的测试设备和分析, 同样可以引申到多级功率放大器来.3.2 线性化3.2.1 线性化和效率在A类放大器中，回退是用来满足线性需求的传统方法.一旦输出功率从最大值开 始减小, 幅度变换和失真产物的数量也减小. 不幸的是, 回退降低了效率, 所以是一种 不引人注意的功放线性化方法图3.1描述了一个A类放大器在不同回退值下的 IM3（即三阶互调）标准（它是效率的函数）此仿真中使用了一个三阶多项式输入-输 出功放模型，结果表明，当IM3较低时，效率迅速下降.Efficiency%图3.1 在独立和线性化结构中功率放大器的线性（是效率的函数）在传统的功放设计中,效率和线性是相互对立的需求,如果设计目标是要达到良 好的线性的同时还要兼顾合理的效率,就必须采用一些线性化方法.线性化的主要思 想就是功放本身的设计能在牺牲线性的前提下达到良好的效率 ,然后再通过外部线 性化来满足线性的要求这在图3.1中被论证.我们假设IM3是-5dBc.如果不进行线 性化，满足IM3的回退值会产生一个接近10%的效率.图中较低的曲线描述了线性化的 IM3值,在达到同样线性的情况下,功放的效率比20%还要好.在这个例子中，功放的功 率消耗减小量多于二分之一.上文的计算仅仅考虑了功放的功耗, 但是实际上, 线性化也会消耗一大部分功率 假定输出功率被压缩了0.25 dB, 这是现化无线电功放的一个标准值. 现在, 输出需要 1*川 1 W 的额外功率来恢复基本的输出信号功率,额外的1%足够用 来删除大约- 25-dBc IM3成分.因此，用来恢复基本的和删除IM3信号的总共额外功 率接近功放输出功率的7%, 这并不过多. 然而, 这却足够影响到线性化电路的效率和 结构.3.2.2线性化方法5-7中详细介绍了一些线性化方法. 这里仅简单介绍了一些最常用的种类, 表3.1是对其做的一个简短的比较.反馈应用普遍, 只要反馈回路有足够的增量增益, 它就能抑制失真. 为了增加环 路增益，通常采用笛卡尔形式图3.2(a)或极坐标形式的基带误差放大器环路内部 必须的上下转换增加了噪声源和环路延迟，限制线性化电路的稳定带宽在100 kHz 以下. 由于功放受驱动接近压缩， 环路增益和带宽也随信号幅度变化， 使得系统分析 更加复杂.多频功放通常采用前馈. 这里， 主功放产生的失真通过从主功放输出送到线性成 分来得到. 此失真信号被辅助功放放大并最终从输出中去除. 由于这样的排列不含 反馈环路， 所以没有稳定性限制， 但是合路器和移相器的带宽限制了补偿带宽. 然而， 反馈环路中所需的移相器和衰减器对谐音十分敏感， 使用线性辅助放大器显著地降 低了总体效率.预失真见图3.2(c)在功率放大器之前对信号进行扩展.因此，前置补偿功放对 可当作一个线性的电路. 原则上讲， 尽管预失真需要一个缓慢的反馈以适应其预失真 功能， 它仍然是一种功率高效的， 多频率的线性化方法. 一个简单的射频前置补偿器 可能仅仅包含两个偏压二极管， 或者预失真信号可以在数字基带内产生， 这需要使用 适合的查询表.最后一种广泛使用的方法被称作包络消除和恢复(EER),或者称作Kahn发射机. 此时， 通过限幅器将幅度信息从载波中移除， 然后通过调制功放的电源又将其送回. 因此，可以达到轨道对轨道的驱动以及高效率然而,EER对载波路径(仅传输相位信 息)和供给调制路径(仅包含幅度信息)的时间差和相位差十分敏感图3.2线性化原理(a)笛卡尔反馈(b)射频反馈(c)预失真(PRED代表前置补偿器)3.2.3线性化和记忆效应不同的线性化方法的复杂程度不同,所以它们对记忆效应的敏感度也不同.表3.1中对现行的一些线性化方法做了简短的比较.表3.1不同线性化方法的比较复杂性效率带宽补偿性能产生记忆效应的主要原因笛卡尔反馈适中高窄高回路带宽前馈高适中高高无源器件EER适中高适中低时间延迟射频预失真低高高低功率放大器数字预失真高适中适中适中PA&BB以及IF滤波器反馈系统(例如笛卡尔反馈)对功放内部的记忆效应十分不敏感,这是因为它们 实际上对输出失真进行抽样并试图用足够的环路增益来去除输出失真.然而,为了使 回路稳定,必须限制带宽,这就使得载波远处的补偿减小.前馈的方法同样直接对输 出失真进行抽样,然后从输出中放大并送去补偿.在这里,主要的记忆效应来源于对 辅助路径和无源元件的频率响应, 辅助路径和无源元件可能使得载波远处的补偿减 小.主要关注前置放大器双减/加回路调谐的复杂性.EER方法基于两个信号路径(一个针对相位信息，另一个针对幅度信息)的匹配.我们主要关注的是这些信号路径的延迟和线性.数字和模拟射频预失真是让人感兴趣的事物，这是因为在功放之前，失真便被校 正了.因此，线性化电路的输出功率较小，并且效率不成问题，例如，前馈系统中的辅 助放大器. 然而，预失真系统依靠的是功放非线性的精确反转复制，这就意味着不仅 记忆效应有高的敏感度，漂移也有.通常,前置补偿器需要一些缓适应.数字前置补偿 器在本质上更具灵活性,但是需要高带宽和数字基带的动态范围,并且前置补偿器和 功放之间所有的基带和中频(IF)滤波器都对记忆效应有影响.本书中大量讨论涉及模拟射频预失真系统的实现 ,或降低功放记忆效应到这样 的一个低水平(可以使用一个简单的无记忆数字前置补偿器). 尽管如此，这里展示的 分析方法还是对其它的大多数线性化方法适用.对任何线性化电路最简化的方法就是将它看成一个删除者:产生了某一定量的 失真， 并且必须用此失真的精确的反相复制来消除.好的抵消性能对功放失真成分和线性化电路产生的信号成分间的幅度和相位匹 配有着很严格的要求.图3.3(a)证明了这种抵消.剩余的IM成分功率可用余弦定理计算，图(3.4)给出了给定量抵消的所需匹配,5是相位误差，AA是幅度误差.图3.3(b)给出了相应的数字值例如，为了在互调水平内达到一个25-dB的减少量,在整个信号和IM波段内，相位误差不得超过至，增益匹配AA/A(增益平坦 度)优于0.25 dB(3%的幅度误差).CANC 二 10- log(l -2(1 +AA/A)cos() + ( +AA/A)2)(3A)图3.3清楚地图解了记忆效应的重要性.在一个有记忆效应的功放内,失真元件 的幅度和相位由于调制频率(双音信号间的音频间距)和幅度的作用而变化.补偿信号必须在整个调制带宽内跟踪实际的互调信号,并且跟踪任何会引起补 偿性能恶化的调制幅度或调制频率.图3.4对此做出说明.IM信号的相对相位随着调制频率而变化，但是在一个简单 的模拟前置补偿器内,预失真信号在相位固定时通常没有记忆.为避免这类问题,可 以使用一个更复杂的数字前置补偿器运算法则，即采用一个前馈放大器，或采用一个 记忆效应效能较低的功放.图3.3 (a)失真补偿的原理(b)已达到的补偿(是相位误差和幅度误差的函数)D.1ii i1 1 1 1 1 1 1jr H + -i -i 11111ii iT T十H十-1 1 1 1 1 1 1-Q-f+g T Ii 11111ii iITT LI + -1 -1 1 1 1 1 1 1T T十H十-IIIIII1111 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1失真成分是随着信号瞬时幅度和调制频率变化的确定性信号.然而，在相同情 况下，它们表现却相似.本书的主要贡献就是查明了在信号变化的情况下，失真成分 如何运行. 这能帮助改进功放以达到好的补偿(使用简单射频前置补偿器型的线性化 方法，此方法通常不会提供足够的补偿)。 通过研究它们的失真行为，补偿可以提高 到20到30 dB(对应于更多混杂线性化方法的补偿性能)如果达到了此项,那么更 简单,功率更低的线性化方法可以被使用.two-toneIM3L signals IM3H图 3.4 失真补偿的原理以及其对记忆效应的影响3.3 电记忆效应为了确定记忆效应的机理, 研究实际功率放大器设备为什么有别于多项式输入- 输出模型是很重要的本节首先介绍了晶体管放大器阻抗的定义。然后，更详细地分 析了失真成分并将其与单一多项式模型相比较最后，讨论了匹配负载对记忆效应的 影响.图3.5所示的共射极/共源极BJT和MESFET的符号在本书中都适用./(ma tch) 是级间驱动阻抗，不包括(bias)(即基极偏压阻抗)./】*match)和厶“ (bias) 对应于用网络分析仪(NWA)测量的阻抗./订IU是由偏置决定的内部基极阻抗. 同样的，外部集电极阻抗由一个负载阻抗和一个集电极偏压阻抗/组 成,和/都可在集电极结点处测量./门川门是内部集电极阻抗. 然而， 结点阻抗指的是结点的阻抗水平， 基极和集电极的结点阻抗可以用下式计算:ZBB = Z5(match) | Z5(bias) | Z(int)(3+5)and6)N =石 II Z c(bjus) | Zc(int)Z,(a)ZDDzgg(b)Zo(bias)9( i)Zc(bias)ZB(int)ZG(bias)oZe(bias)ZG(mat)Zg(E 日 t.)图3.5 (a)CE BJT放大器中阻抗的定义(b)CS MESFET放大器中阻抗的定义.来源于12 同样地，改变终端的名称,就可以由上式得到图3.5(b)所示的MESFET的结点阻抗的计算等式术语”输入阻抗”将代替电源阻抗,应用于BJT和MESFET,以便清楚地区 分它和MESFET电源端子.尽管此处主要关心的是内部失真产生器的阻抗，等式(3.5) 和(3.6)描述了晶体管外的结点阻抗. 这些内部阻抗将被计算并应用于本书后续章节 的仿真和分析.实际的功率放大器设备包括的非线性机构不止一个. 由于这些机构相互作用, 非线性响应并不仅仅是(2.3)假设的输出信号;它们更合适作为其它非线性的输入, 因而能够产生新的非线性响应.因此,为了提高我们关于失真机制的理解,我们将晶体管 放大器简单地看作两个非线性的级联.尽管这种模型缺少实际功放的反馈影响,它却 为失真的成分提供了信息.两个级联的Vol terra内核可以用图3.6所示的框图表示.方框H表示基极电压(它 是输入信号的函数)，方框F表示集电极电压(它是基极电压的函数).H1,H2和H3对应 于(2.3)式中的系数al, a2和a3,因为多项式输入输出模型使内核变为多项式系数.通过三阶非线性产生的三阶互调信号是平坦的首先，基极非线性的三阶方框H3 在基极产生一个三阶互调信号，此信号被F1线性放大，其次，此基极线性信号转到跨 导F3的立方非线性中，同样产生三阶互调.由二阶非线性级联产生的三阶互调更加复 杂.首先，在H2的基极产生一个包络成分，此包络成分在跨导F2的二次非线性H1的基 极创造了三阶互调和线性信号. 同样地， 二次谐波的混合增加三阶互调.厶VIN图3.6用一阶至三阶的Vol terra算子表示的串联连接图3.7给出了不同阶数的频谱在频率域上的结合.图3.7 (a)显示了第一个方框的输出,它包括相同的频率成分,就像(2.3)中三阶多项式模型一样.频谱分量的幅度可以从表2.4中得出.此多音信号是第二个方框的输入信号,输出三阶互调与其它频率成分结合.例如，包络信号2 -1和上层双音信号2将混合到后面方框的二次非线性 中，结果将产生上层三阶互调信号（1压缩，同样）同样地,上层输入信号23 2的二次 谐波和负频率边的低输入信号- 3 1也将混合到三阶互调信号中结果，三阶互调边带不仅受基本电压波形的影响，也受包络和二次谐波频率3 2-3 1和23 2不同结 点的电压波形的影响.图3.7（a）由高达三阶的非线性产生的频谱成分（b）三阶互调的成分问题是如何控制不同结点和频率成分的电压波形如第二章所解释的那样，电路 成分的非线性可以看成电流源,它们的电压波形受结点阻抗的影响图3.7（b）用高达 三阶15的非线性约略地补充了实际功放设备中三阶互调的组成成分.三阶互调由 立方非线性大量产生，此立方非线性受基本阻抗和信号电平的影响然而，二次机制 （将包络频率和二次谐波频率和基本音频混合在一起）也对三阶互调失真有着重大的 影响,但是这些可以通过带外频率的结点阻抗来进行控制.电记忆效应由由频率决定的包络,基本或二次谐波结点阻抗引起.图3.8给出了MESEET放大器在直流波段,基本波段和二次谐波波段内测量的栅极结点阻抗中心调 制频率是1.8 GHz,最大调制频率是20 MHz,这意味着直流波段到达20 MHz或超过是十 分重要的有趣的基本波段在1.77 GHz和1.83 GHz之间，因为在三阶互调失真方面, 整个60 MHz的三阶互调波段是相关的.二次谐波波段位于3.58 GHz和3.62 GHz之间. 在整个调制频率带宽范围内, 基本阻抗很容易保持常量, 这是在例子中, 它仅仅是中 心频率的0.3%. 同样, 假如没有谐波陷波的话, 二次谐波波段也十分狭窄, 阻抗匹配也 很简单. 这种陷波会引起巨大的阻抗变化, 可能引起严重的记忆效应. 因为基本谐波 阻抗和二次谐波阻抗所起作用不大, 大部分的记忆效应由包络阻抗产生. 包络频率从 直流变化到20 MHz, 栅极节点阻抗（举例说明）必须是常量, 或者在此区域内非常低以 便减弱记忆效应. 这并不是图3.8所示的实际施行的情况, 它是在栅极阻抗在包络频 率处变化约二十时的情况.直流频段和其它频段之间有一处重要的区别. 如果系统的中心频率改变了, 基本 阻抗和二次谐波阻抗都会改变, 然而包络阻抗却不变. 换句话说, 如果大量的记忆是 由基本波段或二次谐波波段产生的, 那么这些记忆效应将会随着频率信道而改变. 尽管如此,可以得出结论:通过精心的设计, 由各种终端阻抗产生的记忆效应可以只 限于那些转换包络频率第四章将会给出失真机制的透彻分析,在那里,BJT和MESFET 放大器的失真机制和记忆效应会被详细分析.freq. GHzHarmonicBasebandMeasured maplifier. From 12,Mag(Zgg) Ohmskkkk OOOQ亠M3*Mag(Zgg) OhmsLLkLOOOQi23 工Mag(Zgg) Ohms LkkOOO ,Qiho护 工freq. GHzFun dame n怕 I图3.8 MESFET放大器11的测量幅度3.4电热记忆效应电热效应由电热连接产生，它可以影响低的调制频率达到兆赫范围.BJT的耗散功率可由下式表示:其中，r工是集电极和发射极之间的电压，工是集电极到发射极的电流.由 于两个一阶的基础信号相乘在一起， 所以耗散功率的频谱通常包括二阶的分量（例如， 直流电，包络，和，以及二次谐波）.由耗散功率引起的温度变化由热阻抗/tii来 决定， 此热阻抗描述了设备温度上升和热流之间的比例. 由于成分数量非零， 热阻在 实际器件中并不是完全的抵抗， 它形成一个分布式的时间常量范围广泛的低通滤波 器， 这表明， 由耗散功率引起的温度变化的发生不是瞬时的， 却是由于半导体和组合 的数量， 总会存在一个由频率决定的相位移动. 并且， 硅表面的反应惊人地快， 可得到 的热效应的带宽高达100 kHz到1 MHz 16-20.此外，因为芯片内的热大多垂直地流 动,可以假设, 与由周围热源产生的热相比,这种元件内部自我加热会产生更多的记 忆效应.(a) 丄 Tb(b)图 3.9 器件内的热流 （a） 物理模型 （b） 电集总元件模型这里采用一个有限要素模型来模拟图 9 所示的组合的热阻.为了简便化,图 3.10 模拟砖块原理，给出组合结构硅芯片是600 p m*600 p m*300 p m,晶体管发射极是 400 p m*400 p m.铜引线框和浇铸混合物的厚度分别是100 p m和1000p m,并且 假定浇铸混合物的底部温度是常量结构包括1859个结点，也就是说,栅极的长度， 宽度都是 50p m, 芯片栅极的厚度, 引线框的厚度以及模塑料的厚度分别是 50 p m, 50 p m, 和 500 p m.图 3.11 描述了整个结构的三种模拟的热阻 . 第一种是在有效区的中心模拟的 （以方框作记号）, 第二种是在芯片的角落处模拟的（图中以菱形为记号）, 第三个是有 三个时间常数的集总模型 （十字形记号）. 图中表明, 硅表面反映迅速, 可以看到, 几 欧姆的热阻（约川h的10%）频率高达1MHz.为了阐明奇相位响应，图3.11 （ a ）绘 制在双面频率轴上，而在图 3.11（ b ）给出了典型的对数-对数幅度和对数-线性图. 对此热阻更详细的分析可以在23-25中学习. 因此, 我们可以明确地说, 从热阻 的角度来说, 结构和散热片的影响是十分重要的, 它决定了由自我加热引起的平均温 度上升. 从交流观点来看, 有效区附近层（硅和引线框） 更占优势, 这是因为与功率耗 散的微秒范围变化相比, 结构和散热器的响应通常显得太慢. 26, 27介绍了 GaAs MESFET 的热阻模拟, 与此处介绍模拟硅上报的时间常量相似.图 3.10 简单化的组合结构Figure 3.11 Simulated thermal impedance at different locations of the integrated circuit (IC: (a) on a two-sided linear frequency axis, and (b) on logarithmic frequency axis. From 22,uoncf 1 IQ ICO Ik 10k100k IM 10M(b)(qlN)as1?qd图3.11集成电路不同区域的模拟热阻抗(a)在一个双边线性频率轴上(b)在对数频率轴上由于功率在直流,基本和二阶信号频率上耗散，但只有耗散功率的直流和包络成分适合热滤波器的通频带,芯片温度形式如下:芯片温度由三部分组成：一个是环境温度/人hl比一个是热阻乘以直流功耗，另一个是包络成分乘以对应频率的热阻.值得注意的是, ( 3.8 )式中的第三项包括频 率,这意味着芯片表面的温度变化也取决于信号的带宽 .如果晶体管的任何电气参数 受温度影响,那么电热记忆效应再所难免.这种由动态自我加热引起电失真的机械被 认为是热功率反馈（T PF） 28 图3.12出示了热功率反馈的框图,在此认为基础放大器处于多项式输入输出级. 热阻抗描述了耗散功率和温度之间的关系，方框K描述了放大器温度和增益之间的关 系.在此模型中,仅认为放大器的增益是由温度决定的.然而实际上,输出电导29和 电容在晶体管级别时也是由温度决定的， 这将在第四章中讲述.由于晶体管的一些电 路参数总是温度的函数，热功率反馈是不可避免的. 很难对热功率反馈进行补偿， 这是因为精确的芯片温度通常无法测量.例如， 温度补偿的外部偏置网络无法检测 到结温， 因此， 不能补偿那里的变动， 也不能改善热感应失真.X0沖GK沖To yFigu re3.12 Block diagram of thermal power feedback (TPF). IEEE 2001 11,electr. nodepower nodethermal nodmdiss * E /thermal filter 人 L图 3.12 热功率反馈的框图现在，我们来证明热功率反馈我们选择0.15-j0.15作为规格化的立方尺非线性 系数a3/al,此值在所用信号标准上对应于-40 dBc的三阶互调电平.dG/dT是 -0.6%/K,热阻抗由图3.11得出.一个双音输入信号被热感应增益（在包络频率处变 化）所调制，因此产生了三阶互调边带.由于热滤波器在正包络（产生IM3H）处的相位 响应与热滤波器在负包络（产生IM3L）处产生的相位响应是相反的，由热功率反馈产生的三阶互调边带在调制频率的作用下转向相反的方向,如图3.13所示.可以观察到在低调制频率处,几分贝线性减少,相位不平衡间存在一些较低值.3.5 幅度范围的影响图3.13由基础放大器和热功率反馈引起的三阶互调（a）三阶互调幅度的表示（是调制频率的函数）（b） 用实轴-虚轴坐标表示三阶互调记忆效应影响功放的失真性能（如调制频率和幅度）.之前的章节用由调制频率决定的影响来证明记忆效应的机制,本节将检查幅度对记忆效应的影响.需重点注意 的是,根据定义，这里考虑的记忆效应实际上是由调制幅度和频率共同决定的. 术语 “由幅度决定的”是有道理的,因为此处考虑到了高于三阶的影响,并且三阶互调音 调中五阶失真的数量取决于信号的幅度.这些效应比频率主导的记忆效应稍微难了 一些,因此三阶和五阶失真成分将首先研究（认为它没有记忆效应）.在后文（认为放 大器是两个带宽受限的多项式的级联）将会讨论到这些.这提出了对失真机制的有益 见解,并将在第六章中进行模拟.3.5.1 无记忆效应的五阶分析高达五阶的多项式输入输出关系可以写成如下形式:=打”工 + eq ” 无2 + 5 ” 无 + fq P+ C/5 *(3,9)其中al至a5是实系数.通过应用一个(2.7)的双音信号，可以得到3.14(a)图中所 示的带内互调失真产物.图3.14 ( a )证明了非线性程度(三次，四次)和音调的频率(如IM3,IM5,.)之间 的关系.五阶互调音调不受三阶非线性的影响,但是三阶音调却是三阶非线性和五阶 非线性的函数。这表明，在低信号幅度，五阶失真产物可以被忽略，但是三阶音频的幅度与输入 幅度的三阶功率成比例然而，如果信号幅度相当大，五阶产物(取决于5W功率)将会 开始影响三阶互调响应结果,3:1的幅度评估不再持续，如图3.14(b)所示.如果三阶 系数的相位和五阶系数的相位相等，五阶非线性将扩大三阶互调响应.然而，如果它 们相位相反，三阶互调将局部地减小，如图所示.这就解释了为什么三阶互调边带在 特殊幅度时会被上报30， 31.值得注意的是，由五阶非线性引起的三阶互调(25/8) 的幅度是五阶互调幅度的6倍 (5/8).这一信息对于鉴定幅度区域记忆效应十分必 要.Figure 3J4(a Distortion components caused by third- and fifth-degreenonlinearities and (b) amplitude of IMS and IM5 components as function of input amplitude. From 32.图3.14 (a)由三阶和五阶非线性引起的失真成分(b)三阶互调和五阶互调成分的幅度(是输入幅度的函数)3.5.2有记忆效应的五阶分析第3.3节中所示的非线性系统的级联表示法,现在可以引申到五阶非线性系统中.如前面章节所示,五阶非线性也产生三阶互调.两个方框间的联结是受带宽限制的,用来提供了解依赖于幅度的记忆效应图3.15(a)中给出了一个方框图.H加)(a)(b)defund2nd harm.?12a1ai| | (2o2 + o1 )-(3(02-0)! )=3(1)!-a)2l | -r- -10 丿丄_(卫土02習1F2巴 4 丨3门6勺3乜 _ J |丄_(迥2目2巴-里)卫1凹2/16+baI_(也毀-耳上2空i佇匕3吋八5*7th-order result5th-order results图3.15 (a)两个多项式的级联(b)方框B中方框A的失真混合物起先,滤波器H(j3 )将被忽略，这是因为两个多项式的级联，结果仍然是一个多 项式；滤波器H(j3 )和3.5. 1中所示的单一多项式间不存在差别系数虽然不同，但 是五阶IM3和五阶IM5项的比例5:1仍然不变有四个频带对互调响应有影响:直流，基 频， 二次谐波， 以及三次谐波. 信号同样在四次谐波和五次谐波处发生， 但是由于失真 分析在五阶处被削峰， 这些信号成分不影响带内互调失真. 每一个波段由三个或更多 的独立音调组成图3.15(b)给出了三阶互调失真和五阶互调失真的重要信号成分.接下来， 我们将研究三阶谐波对带内互调失真的影响. 三阶谐波波段由在六个频 点的频率成分组成，其中，最外面的(43 1-3 2和43 2-3 1)是五阶或更高阶数的失 真产物.这是显而易见的，因为这些频率不可能仅仅由三个基本频率(3 1 or 3 2) 组合而来. 然而， 中间的四个频谱分量由两个三阶项和两个五阶项组成， 表2.5中对 三阶项做出说明. 现在， 我们忽略所有的五阶对三阶谐波的影响， 因为将它们混合到基带,至少对应于一个七阶的效应.在这个阶段中,我们必须将在33 1, 23 1+3 2,23 2+3 1和33 2（幅度分别为a3/4, 3a3/4, 3a3/4, and a3/4）处的频谱分量混合到 互调波段中.此外,我们假设方框中间的二次谐波是可以忽略的（例如,在后面的方框 B中，二次和三次谐波不混合到互调波段中）三阶谐波输出端的互调失真组成如下： 由a3产生的三次谐波波段，以及由al产生的基波成分（占两倍），它们混入后面的方框 B的立方非线性中，如图3.16所示.block Bfundamental bandb3alia3rd harmonic bandfundamerital band日）他虽悶b） （3a3/4）A3c)d) 5/163*33*3=3/16*b3*a3*A5*a12+2/163*83*8Figure 3,16The niechanism of IM3 and IM5 downconverting from the third harmonic band.图 3.16 从三阶谐波波段转换过来的三阶互调和五阶互调机制这种特殊的失真机制产生了5/16 *a1 2* a3 *b3 *A5的三阶互调和1/16 *a1 2* a3 *b3*A5 的五阶互调成分,它们使三阶互调和五阶互调的幅度比都是5.换而言之,如果三次谐 波被滤波器H过滤掉，五阶IM3和IM5数量改变，但是这个由无记忆失真成分得到的比 例5仍然保持不变. 这种看法可以概括如下：相同的5：1比例对于其它从直流波段和 二次谐波波段转换过来的失真机制也适用.一旦频段被过滤掉，这一比率保持不变。而且,如果滤波器内部频率带是平坦的（例如,所有的频谱成分衰减相同）, 由五阶非 线性引起的5:1的比例存在于三阶互调响应和五阶互调响应之间.强调总IM3和IM5之 间的比例改变了仍然很重要，这是因为IM3同样包含了一个三阶的成分，此成分不是 三阶谐波滤波的函数。现在让我们来看一看频率波段内的滤波.按照互调失真,图3.15勾画出三次谐波 波段中的重要信号成分上层的三次谐波33 2混合到幅度为2/16的IM3和幅度为1/16 的IM5中，但是总频率23 2+3 1仅混合到幅度为3/16的IM3中.没有混合到IM5中的成 分，这是因为23 2+3 1音调和t he 33 2-23 1音调之间的差是33 1-3 2.由于 23 1+3 1和33 1 - 3 2是三阶和四阶的最小产物，由23 1+3 1转换而来的IM5至少是 七阶产物. 由于三阶谐波波段处的频谱成分被分割， 所以可以很清楚地看到， 总频率 23 1+3 2 和 23 2+3 1是存在的， 而谐波(33 1 和 33 2)被过滤掉， 在三次谐波波段 中由五阶非线性引起的IM3和IM5之间的比例不是5,而是无穷大.由幅度决定的记忆效应可以理解为:偏离了五阶IM3和IM5响应的5:1幅度比，或 者是五阶IM3和IM5响应的相位差.只要某一波段过滤不平坦，这种情况就会发生.为 研究这些效应，我们认为滤波器H(j3 )在直流波段周围是倾斜的，这是因为在实际应 用中，滤波器H(j3 )是最重要的记忆效应来源.IM3和IM5的五阶失真机制的组成成 分是音频间距的函数。由于四阶包络23 1- 23 2的频率是二阶包络3 1- 3 2的两倍， 所以由四阶包络产生的三阶互调和五阶互调将会包含大量的记忆， 它是信号幅度的 函数。这表明， 无论滤波器是否倾斜，5:1 的比例都未能保持， 如果滤波器在二次包络 和四次包络时不等， 五阶成分中将会存在相位不平衡 ， 如图 3.17(a) 中所示. 关于其 它频率的波段， 可以得到与此类似的结论. 换而言之， 在由幅度决定的记忆效应中， 离 频率波段中心最远的频谱成分， 最具危害性.5thIM3IM5112468tone spaci叩MHz图3.17 (a)五阶失真的组成(b)由五阶失真引起的记忆效应五阶IM3和IM5成分间的比例是调制频率的函数，如图3.17(b)所示如果调制频 率接近零,不会发生记忆效应,并且幅度比是5:1. 随着调制频率的增加,比例也跟着 增加，在8 MHz的幅度比例是6.同样的，五阶IM3和IM5在高的调制频率处存在丨的 相位差. 值得注意的是, 这些值紧密地取决于非线性系数和滤波, 此处结果不便推广. 然而有一点很明显,如果最大调制频率在MHz范围，偏离无记忆的近似不可避免.由幅度决定的记忆效应的一个重要特性源自三次谐波波段。让我们假设所有高 达二次谐波的频率波段在整个失真波段上都是平坦的， 所以在中等幅度电平上， 无记 忆效应， 这是因为高于三阶的非线性几乎接近于零 . 如是现在信号幅度增加了， 五阶 机制将会开始产生影响， 同时三次谐波波段的信号成分将被转换到 IM3 中. 这就意味 着,只要三次谐波波段倾斜，记忆效应将会在高信号电平处发生,这时五阶失真将会 起重要作用.3.6总结一旦放大器的实际转移函数被应用信号的带宽所影响 ,放大器将显示出记忆效 应.测量记忆效应的方法有一些,在本书中主要用互调信号（是一个双音信号的音频 差的函数）来测量记忆效应.如果互调信号的幅度和（或）相位被音频差所影响,放大 器将显示出记忆效应.平坦的记忆效应并不是通常对功放本身的线性有害一个|汁到J*的相位旋 转,或者一个少于0.5 dB的幅度改变（是调制频率的函数）对设备的线性无重大影响， 但是当采用预失真型的线性来补偿互调边带时，情况却完全不同这需要失真成分和 抵消信号间有着精确的幅度和相位匹配如果三阶互调成分在调制频率的作用下旋 转,但是抵消信号并没有,对于多频信号来说,线性化方法的补偿性能可能是不适当的. 不同的线性化方法对记忆效应有不同的敏感度,例如反馈或前馈型线性化电路对放 大器的记忆效应并不敏感.然而,假设由记忆效应引起的补偿性能恶化可以修复好,射 频和数字基带的线性化电路可能具有高的效率和宽的带宽.本章介绍了两种记忆效应:电记忆效应和电热记忆效应.电记忆效应由频率波段 内非常量节点阻抗产生.大多数电记忆效应由依赖于频率的包络阻抗产生 ,通常引起 了偏置阻抗.电热记忆效应由结温产生,结温被应用信号调制.由于芯片温度在包络频 率处变化,并且晶体管的一些电气参数受温度影响 ,因此产生了增益调制和三阶互调 成分.这些记忆效应产生,是由于因耗散功率引起的温度上升高度取决于调制频率,这 也决定了三阶互调成分的行为.如果信号幅度适当地大 , 五阶和更高阶失真机制将会对三阶互调性能产生影响 五阶失真将会影响三阶互调边带和五阶互调边带,并且在多项式的情况下,五阶 IM3 和IM5成分将会有一个5:1的幅度比例和零相位差.然而，由幅度决定的记忆效应从 两点改变了这种情形:第一,频率波段更宽,因为五阶信号成分比三阶成分更宽,其次, 三阶谐波波段在高信号电平时转换到互调失真中这些效应称为由幅度决定的记忆 效应，因为IM3成分中五阶非线性的数量取决于幅度，并且由幅度决定的记忆效应的 总数是所有频率波段记忆效应的总和.记忆效应可用 IM3 的矢量表示来使其形象化.用 IM3 的成分,例如包络,基本的 和二次谐波成分,使得鉴定记忆效应的起因变得可能.本书将介绍这种表达方式的广 泛应用.3.7需记住的重点1. 在传统的功放设计中,效率和线性是相反的设计目标.2. 线性化的观念是:为使功放达到高效率,将其线性设计不足,然后通过外部线性化 来使功放满足线性化要求.3. 线性化电路的实施和复杂性影响着发射机的整体效率.4. 线性化方法（特别是简单预失真型的线性化方法）的补偿性能对射频功率放大器 内部产生的记忆效应十分敏感.5. 记忆效应有两种类型:电记忆效应和电热记忆效应6. 失真表现为电流,由失真引起的端电压,可以由终端阻抗来表示.7低阶失真可以混合到高阶失真中（例如,N阶失真可由低阶非线性产生）8. 电记忆效应由直流波段，基础波段和谐波波段的非常量终端阻抗所引起,其中,在 直流波段的非常量终端阻抗危害最大，因为偏置阻抗严重依赖于频率.9. 热阻抗描述了由耗散功率引起的温度增加，在射频功率放大管中，它有范围广泛 的时间常量和高达兆赫的频率范围10. 电热记忆效应由芯片顶端的动态温度变化引起，此温度变化修改了晶体管在包络 频率（音频差别频率）处的电特性因此，产生了基于热阻抗的IM3信号11. 五阶失真影响IM3成分，并且，五阶失真的记忆效应也可以在IM3成分中看到.12. 因为五阶对IM3的影响是由幅度决定的，因此，幅度也影响记忆效应.13. 失真阶数越高，频带越宽，新的谐波波段混合到基波波段中.这使得记忆效应随 信号电平而变化.参考文献（省略）