5G PA設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的“記憶效應(yīng)”

在5G PA設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，有一個(gè)名詞經(jīng)常被大家提及：記憶效應(yīng)(Memory Effect)。

PA怎么還會(huì)有“記憶”?記憶效應(yīng)有什么影響，又要怎么規(guī)避?

帶著以上問題，本文對PA的“記憶效應(yīng)”做一個(gè)討論

PA的“記憶效應(yīng)”

什么是PA的“記憶效應(yīng)”?

記憶效應(yīng)是指器件的特性隨時(shí)間變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。器件特性隨時(shí)間變化，當(dāng)前時(shí)間的特性受上一時(shí)間狀態(tài)的影響，就好像器件帶有“記憶”一樣，所以這種特性被稱作“記憶效應(yīng)”。

對于PA電路來說，記憶效應(yīng)反應(yīng)出來的現(xiàn)象是：在同樣的輸入功率下，PA的增益、延時(shí)等特性在不同時(shí)刻表現(xiàn)不同。

PA一旦表現(xiàn)出強(qiáng)的記憶效應(yīng)，線性度將會(huì)受到明顯影響，出現(xiàn)寬帶線性度惡化、左右ACLR不平現(xiàn)象，還會(huì)影響預(yù)失真(DPD或APD，數(shù)字預(yù)失真或模擬預(yù)失真)電路的工作 [1]。在PA設(shè)計(jì)和使用中，記憶效應(yīng)需要盡量規(guī)避。

PA記憶效應(yīng)的識(shí)別

方法一：觀測AM/AM、AM/PM

在PA輸入端加入輸入信號，觀察PA的輸出信號，將此時(shí)放大器的增益、相位與輸入信號逐點(diǎn)一一對應(yīng)起來，就得到不同功率下的AM/AM、AM/PM特性曲線。觀測AM/AM、AM/PM是識(shí)別記憶效應(yīng)的最主要方法。

未發(fā)生記憶效應(yīng)時(shí)，AM/AM、AM/PM曲線為一條平滑曲線，代表同樣輸入功率時(shí)不同時(shí)刻PA的特性保持相同。發(fā)生記憶效應(yīng)時(shí)，曲線表現(xiàn)出一組發(fā)散分布的點(diǎn)，點(diǎn)的分散的離散與否代表了記憶效應(yīng)的強(qiáng)弱。如果AM/AM、AM/PM曲線表現(xiàn)分散，表示對于一個(gè)同樣的輸入功率，PA有不同的增益、相位變化。PA的狀態(tài)不止以此時(shí)刻的輸入有關(guān)，還與其他時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān)，即PA表現(xiàn)出了“記憶效應(yīng)”。

圖：帶有記憶效應(yīng)的PA特性[1]

方法二：寬帶ACLR的惡化或不對稱

另外一個(gè)識(shí)別記憶效應(yīng)的方法是觀察ACLR隨信號帶寬的變化。如果觀察到信號帶寬變寬時(shí)ACLR出現(xiàn)快速惡化，或者開始出現(xiàn)明顯的左右不對稱時(shí)，很有可能是發(fā)生了記憶效應(yīng)[2]。

圖：典型的PA左右ACLR不對稱現(xiàn)象

ACLR不對稱的產(chǎn)生也對測試造成較大困擾，當(dāng)左右ACLR差別較大時(shí)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄都成問題。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重左右不對稱現(xiàn)象時(shí)，需要停下來檢查PA是否發(fā)生了記憶效應(yīng)。

方法三：寬帶雙音信號IMD3惡化或不對稱

與觀測寬帶ACLR是否惡化方法類似，還可以采用觀察寬帶雙音信號(Two tone)的IMD3是否出現(xiàn)記憶效應(yīng)。

采用雙音對PA進(jìn)行激勵(lì)，并將雙音信號的間距逐漸由小變大，測試雙音信號的IMD3。如果隨著雙音信號的間隔變大，IMD3出現(xiàn)惡化或左右不對稱，則代表PA開始出現(xiàn)記憶效應(yīng)。如下圖所示測試，當(dāng)信號間隔大于10MHz時(shí)，PA記憶效應(yīng)開始顯現(xiàn)。

圖：采用雙音測試法識(shí)別PA記憶效應(yīng)

PA記憶效應(yīng)的產(chǎn)生與規(guī)避

在對PA記憶效應(yīng)的分析中，一般認(rèn)為是輸入信號中隨時(shí)間變化的包絡(luò)引起了PA特性的變化，造成PA不同時(shí)間的響應(yīng)不同。為何輸入信號會(huì)有包絡(luò)呢?包絡(luò)又是如何進(jìn)一步引起PA特性變化?

4G/5G信號的包絡(luò)

4G/5G系統(tǒng)中所使用的調(diào)制方式是OFDM(Orthogonal Frequency Division Modulation，正交頻分復(fù)用)調(diào)制，OFDM是一種特殊的FDM(Frequency Division Multiplex，頻分復(fù)用)調(diào)制方式。

FDM是無線通信中的重要復(fù)用技術(shù)，是指將傳輸信號調(diào)制到不同頻率的多載波上，再進(jìn)行空間傳輸。與單一頻率的單載波信號相比，F(xiàn)DM可以有效增加帶寬，提升傳輸速率，并且可以增強(qiáng)信號抗干擾能力，在無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。下圖為FDM系統(tǒng)的典型實(shí)現(xiàn)框圖。

圖：頻分系統(tǒng)的時(shí)域及頻域圖示

OFDM本質(zhì)也是一種FDM技術(shù)，也是利用頻分的方式進(jìn)行信號的空間復(fù)用傳輸。只不過在信號的正交上，并不只是采用如傳統(tǒng)FDM相同的頻分技術(shù)，還利用到了一些信號在正交上的特性，OFDM利用到的信號正交特性可由如下積分公式表示，當(dāng)積分區(qū)間為0~2π時(shí)：

如果將cos nx看成一路信號，sin mx或cos nx看成另外一路信號，可以看到相同的信號相乘后積分為π，不同信號相乘后積分為0。所以對于混在一起的不同信號，我們只需要用指定信號和其相乘積分，就可以將有用信號提取出來，實(shí)現(xiàn)信號的正交。這就是正交頻分復(fù)用的原理。

利用這一特性，OFDM中并不需要像傳統(tǒng)FDM一樣保留較寬的保護(hù)帶，而是可以將頻率成倍數(shù)關(guān)系的子載波疊加在一起，就可以完成頻分復(fù)用，大大提高了頻譜利用效率。FDM和OFDM的頻域關(guān)系如下圖所示：

圖：FDM與OFDM的頻譜特性 [6]

在信號傳輸時(shí)，頻域上多個(gè)子載波頻分復(fù)用進(jìn)行信號傳輸，時(shí)域上這些信號幅度相疊加。如果某一時(shí)間點(diǎn)幾個(gè)子載波的振幅均為高位，則疊加出現(xiàn)峰值功率，OFDM信號的峰均比：PAPR(Peak to Average Power Ratio)就此出現(xiàn)。

圖：OFDM信號的時(shí)域疊加：

形成高峰均比(非恒定幅值)信號

以上OFDM信號的產(chǎn)生均在基頻處發(fā)生，為了將信號在空間傳輸，需要將信號調(diào)制到射頻頻率。一般在無線通信系統(tǒng)中，將攜帶信息的OFDM信號稱為基帶信號，所對應(yīng)的頻率也稱作基帶頻率。由于射頻信號的調(diào)制和放大經(jīng)常伴有諧波發(fā)生，為了把射頻的信號做區(qū)分，一般將所用來做射頻調(diào)制的頻率稱為基頻頻率，將信號的諧波稱為二次、三次諧波頻率。

圖：基帶頻率、基頻頻率與諧波

(二次諧波為代表)頻率之間的關(guān)系

經(jīng)過射頻調(diào)制的OFDM信號波形如下圖所示。

圖：OFDM基帶包絡(luò)信號的形成(左)

及射頻基頻信號正交調(diào)制后的波形(右)

由上圖(右)可以看到，OFDM基帶信號被射頻頻率調(diào)制成包絡(luò)與原始OFDM信號相同、載波頻率與射頻基頻信號相同的射頻信號。

以上信號將進(jìn)入功率放大器放大輸出，即進(jìn)入功率放大器的信號并不是恒包絡(luò)信號，而是包絡(luò)跟隨OFDM信號變化、帶有峰均比的信號。這就是4G/5G中射頻信號包絡(luò)產(chǎn)生的過程。

PA記憶效應(yīng)的來源

在4G/5G 通信系統(tǒng)中所使用的是非恒定包絡(luò)的OFDM信號，如果PA特性隨信號包絡(luò)在變化，則會(huì)發(fā)生記憶效應(yīng)。

在PA記憶效應(yīng)的分析中，一般將包絡(luò)信號對PA的影響分為三類 [3]，分別是：

電記憶效應(yīng);

電熱記憶效應(yīng);

半導(dǎo)體器件陷波效應(yīng)(Semiconductor Trapping Effects)。

電記憶效應(yīng)和半導(dǎo)體器件的陷波效應(yīng)

PA是高耗電器件，同時(shí)PA特性對溫度敏感。對于PA器件而言，熱擴(kuò)散與時(shí)間相關(guān)。下圖為對PA芯片進(jìn)行一維等效，在芯片表面加熱源后，芯片各部分位置溫度隨時(shí)間變化圖?？梢钥吹?，隨著時(shí)間的不同，芯片各位置的溫度發(fā)生變化[3]。

圖：PA晶體管芯片溫度分析的一維等效

如果PA的輸入信號帶有包絡(luò)，不同包絡(luò)信號的幅度將會(huì)引起PA溫度的變化，進(jìn)而引起PA特性的不同，使PA產(chǎn)生記憶效應(yīng)。通常情況下，電熱記憶效應(yīng)只與低于1MHz的包絡(luò)頻率有關(guān)，因此，通常把電熱記憶效應(yīng)認(rèn)為是長時(shí)記憶效應(yīng)。

針對于電熱記憶效應(yīng)，需要對PA進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)，確保PA產(chǎn)生的熱量可以良好擴(kuò)散。

半導(dǎo)體的陷波效應(yīng)(Semiconductor Trapping Effects)是指在半導(dǎo)體器件中表現(xiàn)出來的記憶效應(yīng)，此種記憶效應(yīng)與半導(dǎo)體制造工藝相關(guān)。對于半導(dǎo)體陷波記憶效應(yīng)，設(shè)計(jì)上可嘗試的方法并不多，需要代工廠在器件上做優(yōu)化和保障。設(shè)計(jì)中可以采用較為成熟的半導(dǎo)體工藝，確保器件側(cè)無記憶效應(yīng)問題。

電記憶效應(yīng)

電記憶效應(yīng)是PA電路記憶效應(yīng)的主要來源。

在PA設(shè)計(jì)中，PA能量的來源是直流供電。直流供電需要通過偏置電路加在器件的輸出(集電極或漏極)及輸入(基極或柵極)，這些偏置電路需要完成供電功能，并且不能影響到射頻信號傳輸。

理想情況下，偏置電路需要對射頻信號表現(xiàn)出高阻(射頻信號才不會(huì)進(jìn)入到偏置電路中)，同時(shí)對其他頻率保持低阻(防止其他頻率出現(xiàn)交流電壓擺幅)。對于射頻信號的包絡(luò)頻率來說，由于其與射頻載波信號的二階交調(diào)(IMD2)剛好會(huì)落在信號的旁帶，所以射頻信號包絡(luò)頻率的阻抗控制尤其重要。如果處理不好，偏置電路將會(huì)發(fā)生包絡(luò)調(diào)制，引起ACLR惡化。

圖：簡單PA偏置網(wǎng)絡(luò)示意圖

以上圖所示簡單偏置電路來理解包絡(luò)信號對PA偏置的調(diào)制作用。圖示為簡單共射極放大電路，放大器集電極通過串聯(lián)電感連接至直流供電電源，Bypass電容提供射頻接地，電感LC提供高的射頻阻抗。

如果假設(shè)PA工作射頻頻率為2.6GHz，電感LC的感值為3nH，供電電壓為3.4V，電流為500mA。則電感LC可提供的射頻阻抗為ZBias@2.6GHz=49Ω，由于此點(diǎn)的射頻負(fù)載阻抗ZLoad@2.6GHz≈3.5Ω，在2.6GHz射頻工作頻率，ZBias遠(yuǎn)大于ZLoad，偏置網(wǎng)絡(luò)可以提供較高的射頻阻抗，使射頻信號不進(jìn)入偏置網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。

如果此2.6GHz信號帶有10MHz信號帶寬，位于基帶頻率的10MHz的包絡(luò)信號在經(jīng)過LC產(chǎn)生的壓降為0.1V左右，晶體管接收到的將不是一個(gè)穩(wěn)定的3.4V供電電壓，而是一個(gè)受包絡(luò)調(diào)制，擺幅0.1V的變化電壓。如果晶體管特性在0.1V供電電壓波動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生變化，輸出信號將看不到記憶效應(yīng)。

如果這時(shí)將輸入信號帶寬提高到100MHz，則LC產(chǎn)生的包絡(luò)頻率壓降將提升至1V左右，這將對一個(gè)3.4V供電的電源帶來明顯影響，如果晶體管特性在1V的變化下發(fā)生明顯變化，記憶效應(yīng)將顯現(xiàn)。所以，隨著信號帶寬的增加，偏置網(wǎng)絡(luò)引起的記憶效應(yīng)現(xiàn)象將更加明顯。這也是為什么5G相比4G記憶效應(yīng)問題更加突顯的原因。

以上是以輸出偏置網(wǎng)絡(luò)為例對電記憶效應(yīng)其中一個(gè)成因的簡單描述。在PA設(shè)計(jì)中，PA輸入偏置網(wǎng)絡(luò)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的記憶效應(yīng)均需要在設(shè)計(jì)中加以考慮。

對包絡(luò)信號引起IMD3變化的定量分析如下。

輸入放大器帶有一定帶寬的OFMD信號調(diào)制信號可以簡化為一組雙音信號，頻率分別為ω1，ω2，在只考慮HBT器件非線性跨導(dǎo)時(shí)gm2，IMD3信號產(chǎn)生過程如下：

輸入端雙音信號通過HBT器件 的二階非線性跨導(dǎo)gm2在輸出端產(chǎn)生包絡(luò)信號A2(ω1-ω2)、A2(ω2-ω1);

輸出端包絡(luò)信號通過寄生電容和源極電感等反饋通路反饋到輸入端，經(jīng)過反饋通路后到輸入端包絡(luò)信號為B2(ω1-ω2)、B2(ω2-ω1);

輸入端的包絡(luò)信號和輸入端的基頻信號ω1再次通過HBT的二階非線性跨導(dǎo)gm2產(chǎn)生二階交調(diào)，在輸出端產(chǎn)生IMD3信號H3(ω1-ω2)、H3(ω2-ω1)、，造成線性度的惡化;

圖：寬帶信號激勵(lì)下，由于器件非線性引起IMD3的過程

以上為寬帶信號IMD3產(chǎn)生及影響線性度惡化的過程，通過Volterra級數(shù)推導(dǎo)，由二次跨導(dǎo)非線性gm2和包絡(luò)信號產(chǎn)生的IMD3為：

通過以上公式也可以計(jì)算得到左側(cè)IMD3 H3(ω1-ω2)、H3(ω2-ω1)的表達(dá)式。需要說明的是，由于A2(ω1-ω2)及A2(ω2-ω1)位于零頻兩側(cè)，二者阻抗不同，會(huì)導(dǎo)致第三步左右IMD3混頻結(jié)果不對稱，這也是左右ACLR不對稱的來源。

當(dāng)信號帶寬變大時(shí)，即ω1與ω2頻率相差變大。如果不加以控制，A2(ω1-ω2)與A2(ω2-ω1)之間的阻抗差別也會(huì)變大，造成寬帶信號ACLR變差，這是寬帶信號記憶效應(yīng)表現(xiàn)更明顯的原因。

可以看到，IMD3信號的大小與器件的線性與非線性跨導(dǎo)相關(guān)，同時(shí)與源端、負(fù)載端等阻抗相關(guān)。以上公式可以用來設(shè)計(jì)和控制包絡(luò)信號產(chǎn)生IMD3分量的大小。

電熱記憶效應(yīng)的規(guī)避

電記憶效應(yīng)的來源是由于在PA設(shè)計(jì)中，諧波及包絡(luò)頻率阻抗過大引起，在設(shè)計(jì)中，要注意對這些阻抗加以處理，將包絡(luò)頻率與諧波頻率的阻抗盡量歸零。

文章 [4]中提出了一種供電電路設(shè)計(jì)，此電路可以對基頻信號提供較高的阻抗(91.75Ω)，同時(shí)使包絡(luò)信號及諧波信號保持較低的阻抗(0.2Ω及2.6Ω)。采用此偏置網(wǎng)絡(luò)，PA線性度和ACLR惡化現(xiàn)象明顯改善。

圖：文章 [4]所提出偏置網(wǎng)絡(luò)及其阻抗特性

圖：文章 [4]所提出偏置網(wǎng)絡(luò)對線性度有明顯改善

在PA芯片的手機(jī)應(yīng)用中，由于偏置網(wǎng)絡(luò)在芯片內(nèi)部已經(jīng)設(shè)計(jì)好，重新設(shè)計(jì)偏置網(wǎng)絡(luò)不是一個(gè)可行的選項(xiàng)。但在應(yīng)用中觀測到記憶效應(yīng)時(shí)，還是需要對板級Bypass電容進(jìn)行良好設(shè)計(jì)。

一般在PA芯片內(nèi)部，Bypass電容為100pF量級(在2.6GHz阻抗為0.6Ω的低阻)，起到對射頻信號旁路功能。但100pF電容在100MHz處的阻抗為16Ω左右，無法為基帶頻率及包絡(luò)頻率提供低阻，所以，一定要在板級放置100nF量級Bypass電容，為包絡(luò)信號提供近似理想接地，降低電源引起的記憶效應(yīng)。

圖：典型PA芯片的Bypass電容放置

器件的非線性引起的記憶效應(yīng)需要借助對器件的非線性分析進(jìn)行消除，常用分析方法是Volterra級數(shù)法等。通過對放大器偏置點(diǎn)、阻抗及非線性的控制，可以使器件非線性引起的記憶效應(yīng)加以改善 [7]。

總 結(jié)

PA記憶效應(yīng)是較為抽象的概念，反應(yīng)PA特性隨時(shí)間的變化而變化，造成輸出信號的失真。

PA記憶效應(yīng)是由包絡(luò)信號的幅度變化引起，OFDM調(diào)制帶來的信號峰均比經(jīng)過射頻調(diào)制后，形成包絡(luò)變化的射頻信號。如果PA特性隨包絡(luò)變化而變化，則將發(fā)生記憶效應(yīng)。

電記憶效應(yīng)是PA記憶效應(yīng)最主要的來源，通過優(yōu)化偏置電路、節(jié)點(diǎn)阻抗可以有效地改善電記憶效應(yīng)。在應(yīng)用中，需要注意偏置電路中的Bypass電容設(shè)計(jì)，一定要在包絡(luò)頻率提供較低阻抗，確保包絡(luò)信號在偏置電路中不被調(diào)制起來。

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以上就是PA記憶效應(yīng)的討論，您在PA應(yīng)用中是否遇到過記憶效應(yīng)?看到的是什么現(xiàn)象，又是如何規(guī)避的?歡迎您在評論區(qū)留言討論;

原文標(biāo)題：5G PA“記憶效應(yīng)”的現(xiàn)象、形成與消除

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審核編輯：湯梓紅