芯耀
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系統(tǒng)設(shè)計(jì)師常常為功耗問(wèn)題而煩惱。在依靠電池供電的移動(dòng)設(shè)備中，一次充電后的通話時(shí)長(zhǎng)取決于電池容量和設(shè)備的功耗。功耗越低，設(shè)備的續(xù)航時(shí)間就越長(zhǎng)。對(duì)于基站而言，雖然可能不存在電池供電的問(wèn)題，但網(wǎng)絡(luò)的能耗成本會(huì)不斷累積。當(dāng)然，任何設(shè)備中浪費(fèi)的電能都會(huì)產(chǎn)生熱量，而這些熱量必須被散發(fā)出去。
一、功率附加效率（PAE）及功率效率（PE）
功率放大器（PA）是無(wú)線系統(tǒng)中功耗較大的部件之一，因此放大器的效率至關(guān)重要。下圖展示了一個(gè)功率放大器，它根據(jù)輸入功率（Pin）和所提供的直流功率（Pdc）產(chǎn)生輸出功率（Pout）。
工程師們通常用dB來(lái)表示放大器的功率增益：
功率附加效率（PAE）表示功率放大器的整體效率，其中涵蓋了輸入功率所產(chǎn)生的影響。
功率附加效率（PAE）通常以百分比的形式表示。例如，一臺(tái)功率放大器的輸出功率為10W，輸入功率為0.5W，直流功率為30W，那么它的功率附加效率PAE=(10-0.5)÷30=32%。該放大器的功率增益為GdB=10×log(10÷0.5)=13dB。
功率效率（PE）是另一個(gè)用于描述放大器效率的參數(shù)，它忽略了輸入功率的影響。在這種情況下，效率僅根據(jù)輸出功率和所提供的直流功率來(lái)定義。
當(dāng)關(guān)注單個(gè)晶體管的功率效率時(shí)，它有時(shí)被稱(chēng)為漏極效率（場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件）或集電極效率（雙極型晶體管）。這樣的表述反映了一個(gè)事實(shí)，即直流功率在很大程度上是通過(guò)測(cè)量流經(jīng)漏極或集電極的電流，再乘以直流電源電壓來(lái)確定的。
請(qǐng)注意，當(dāng)放大器的增益相當(dāng)高時(shí)，輸入功率的影響就變得不那么重要了，這使得功率附加效率（PAE）大致與功率效率（PE）相同。
下圖是某功放的增益和效率曲線圖
二、峰均功率比以及CCDF曲線
在使用功率放大器時(shí)，輸入信號(hào)的變化會(huì)影響其實(shí)際效率?，F(xiàn)代數(shù)字調(diào)制方法常常會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)功率變化很大的信號(hào)。下圖展示了一個(gè)具有較高峰值功率（Ppeak）的信號(hào)與其平均功率（Pavg）相比的瞬時(shí)功率電平。描述這種波形 “峰值特性” 的一種方法是峰均功率比（PAPR），以dB為單位來(lái)表示。
CCDF是一種統(tǒng)計(jì)函數(shù)，用于描述信號(hào)超過(guò)某一特定功率電平的概率。對(duì)于給定的信號(hào)x(n)，其CCDF定義為CCDF(P)=Pr(∣x(n)∣^2>P)，即信號(hào)功率大于P的概率。CCDF通常用于評(píng)估信號(hào)的峰值特性，它可以幫助我們了解信號(hào)在不同功率電平下的分布情況。
我們通常用CCDF來(lái)描述PAPR的分布特性。具體來(lái)說(shuō)，CCDF曲線給出了信號(hào)功率超過(guò)某個(gè)閾值的概率，而這個(gè)閾值與PAPR密切相關(guān)。例如，如果我們知道信號(hào)的CCDF曲線，那么我們可以通過(guò)查找曲線來(lái)確定信號(hào)功率超過(guò)平均功率一定倍數(shù)（即 PAPR 的某個(gè)值）的概率。
在實(shí)際應(yīng)用中我們通常以CCDF=0.01%對(duì)應(yīng)的值來(lái)定義信號(hào)的PAPR，下圖展示的是某信號(hào)的CCDF曲線圖，其中M=2曲線的（0.01%對(duì)應(yīng)的PAPR大約是9.8dB）。
放大器設(shè)計(jì)者們喜歡恒定的功率電平，這樣他們就可以對(duì)放大器進(jìn)行調(diào)試，使其在特定的功率電平下達(dá)到最佳性能。下圖展示了典型功率放大器的功率效率（PE）與輸出功率的關(guān)系。
在低功率電平下，放大器的效率往往會(huì)下降。就我們的研究目的而言，曲線的形狀比具體數(shù)值更為重要。功率放大器必須能夠處理峰值功率，但信號(hào)的平均功率在很大程度上決定了其實(shí)際的功率效率。下圖還顯示了效率最佳的工作點(diǎn)，這也是我們希望放大器能夠達(dá)到的工作狀態(tài)。遺憾的是，信號(hào)的峰均功率比（PAPR）會(huì)使工作點(diǎn)向左移動(dòng)，以防止峰值功率使放大器過(guò)載。
三、功放設(shè)計(jì)方案
降低放大器的工作點(diǎn)（以及輸出功率）是應(yīng)對(duì)高峰均功率比（PAPR）問(wèn)題的一個(gè)顯而易見(jiàn)的解決方案。然而，這樣做會(huì)導(dǎo)致放大器的效率降低。幸運(yùn)的是，射頻工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了兩種能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整放大器工作狀態(tài)并提高效率的方法。
這兩種方法最早都是在20世紀(jì)30年代提出的，但如今已成為21世紀(jì)常用的設(shè)計(jì)方法。這些放大器設(shè)計(jì)方法分別是：
1、包絡(luò)跟蹤放大器：
工作原理
包絡(luò)跟蹤放大器通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤輸入信號(hào)的包絡(luò)變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)整放大器的電源電壓，使得放大器在不同的信號(hào)功率電平下都能保持較高的效率。具體來(lái)說(shuō)，它由包絡(luò)檢測(cè)電路、電源調(diào)制器和射頻功率放大器組成。
應(yīng)用領(lǐng)域
移動(dòng)通信基站：在4G、5G乃至未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)傳輸和大容量通信的需求，采用了復(fù)雜的調(diào)制方式，這些調(diào)制信號(hào)具有較高的峰均功率比。包絡(luò)跟蹤放大器能夠有效提高基站發(fā)射機(jī)的效率，降低功耗，減少運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)保證信號(hào)的線性度，滿(mǎn)足通信系統(tǒng)的性能要求。
衛(wèi)星通信：衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)功率放大器的效率和線性度要求很高，因?yàn)樾l(wèi)星上的能源有限，需要高效的功率放大器來(lái)節(jié)省能源，延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命。包絡(luò)跟蹤放大器可以在衛(wèi)星通信的上行和下行鏈路中發(fā)揮重要作用，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。
無(wú)線廣播電視：在數(shù)字電視廣播、調(diào)頻廣播等無(wú)線廣播電視系統(tǒng)中，也需要高效的功率放大器來(lái)提高發(fā)射效率，降低成本。包絡(luò)跟蹤放大器能夠適應(yīng)廣播電視信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，提供高質(zhì)量的放大信號(hào)，同時(shí)減少能源消耗。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
高效率：通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整電源電壓，使放大器在不同功率電平下都能保持較高的效率，尤其在處理高峰均功率比信號(hào)時(shí)，效率提升明顯，相比傳統(tǒng)的固定電源放大器，可顯著降低功耗。
良好的線性度：由于能夠?qū)崟r(shí)跟蹤信號(hào)包絡(luò)，包絡(luò)跟蹤放大器可以更好地保持信號(hào)的線性度，減少信號(hào)失真，滿(mǎn)足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的嚴(yán)格要求。
缺點(diǎn)
復(fù)雜度高：包絡(luò)跟蹤放大器需要復(fù)雜的包絡(luò)檢測(cè)和電源調(diào)制電路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。
帶寬限制：包絡(luò)檢測(cè)電路和電源調(diào)制器的帶寬有限，可能會(huì)限制放大器對(duì)高速變化信號(hào)的跟蹤能力，影響其在寬帶信號(hào)處理中的性能。
穩(wěn)定性挑戰(zhàn)：動(dòng)態(tài)調(diào)整電源電壓可能會(huì)引入一些穩(wěn)定性問(wèn)題，如電源紋波、電磁干擾等，需要采取額外的措施來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2、Doherty放大器
工作原理
Doherty放大器通過(guò)使用兩個(gè)放大器電路來(lái)適應(yīng)不同的信號(hào)電平，從而在保持良好功率效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的線性度。其中一個(gè)是載波放大器，通常工作在A類(lèi)或AB類(lèi)，用于處理較低幅度的信號(hào)，在任何功率水平下都能提供增益；另一個(gè)是峰值放大器，一般偏置在C類(lèi)工作狀態(tài)，當(dāng)載波放大器接近其極限，信號(hào)出現(xiàn)較大峰值時(shí)開(kāi)始工作，提供額外的功率能力。信號(hào)進(jìn)入Doherty功率放大器后，會(huì)被送到一個(gè)分配器，生成兩個(gè)相位相差 90°的信號(hào)，分別送到載波放大器和峰值放大器。兩個(gè)放大器的輸出再通過(guò)合成器合并，以提供復(fù)合輸出。
應(yīng)用領(lǐng)域
主要應(yīng)用于對(duì)高效率射頻功率放大器有需求的領(lǐng)域，尤其是峰均功率比較高的場(chǎng)景。例如，在蜂窩電信系統(tǒng)的基站發(fā)射機(jī)中，隨著 3G、4G、5G 等移動(dòng)通信系統(tǒng)中調(diào)制格式的峰均功率比不斷增加，Doherty 放大器能夠在保持線性的同時(shí)提高效率，有助于降低基站的功耗和運(yùn)營(yíng)成本。此外，它還用于其他需要高功率和高效率的無(wú)線電通信系統(tǒng)，如數(shù)字廣播發(fā)射機(jī)等。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率水平，相比普通線性放大器，在處理具有較高峰均功率比的信號(hào)時(shí)，可在保持線性度的同時(shí)提高功率附加效率，有效解決了傳統(tǒng)功放功率降低時(shí)效率大幅下降的問(wèn)題；技術(shù)復(fù)雜度不像包絡(luò)跟蹤等提高射頻放大器效率的技術(shù)那么高。
缺點(diǎn)：難以在寬帶寬內(nèi)保持分配器的相位偏移，通常只能在有限的帶寬內(nèi)使用；成本高于單個(gè)放大器；設(shè)計(jì)難度較大，不易進(jìn)行且難以獲得最佳性能。
總結(jié)：
系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需關(guān)注功耗問(wèn)題，功率放大器效率至關(guān)重要。功率附加效率（PAE）涵蓋輸入功率影響，功率效率（PE）僅由輸出與直流功率定義，高增益時(shí)二者趨同?，F(xiàn)代數(shù)字調(diào)制信號(hào)峰均功率比（PAPR）高，影響放大器效率，可用CCDF曲線描述其分布特性。為應(yīng)對(duì)高峰均功率比，可采用包絡(luò)跟蹤放大器（高效率、良好線性度，但復(fù)雜度高、有帶寬限制和穩(wěn)定性挑戰(zhàn)）和Doherty放大器（高效、技術(shù)復(fù)雜度相對(duì)低，但帶寬有限、成本高、設(shè)計(jì)難度大）等設(shè)計(jì)方案。
