在努力提供更便宜、更小巧，而且消耗更少電力或是在可攜式裝置中消耗更少電流的無線設備工業中，改善高功率放大器的功率附加效率(PAE)一直是一項具有挑戰性的目標。目前有許多的技術正在研究當中。在大部分的情況下，任何技術的商業化必須要仰賴突破性技術的開發才能實現。本文將會專注於部分被用來改善PAE的技術以及一些能夠實現此技術的訊號處理模塊(Block)。
留意峰均比影響
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| 圖1 具有20MHz頻寬之正交分頻多工(OFDM)載波的時間包絡 |
圖1所示為20MHz寬廣正交分頻多工(OFDM)訊號的時間包絡(Envelope)。此訊號乃是由大量運行於相對較低符號率(Symbol Rate)的正交QAM調變次載波所組成。以OFDM為基礎的無線傳輸越來越受到廣為採用，其部分原因乃是低符號傳輸率次載波至衰退的相對阻絕能力。此技術目前被應用於無線區域網路(Wi-Fi)與全球微波存取互通介面(WiMAX)系統中，而且也將會被應用於次世代的長期演進計畫(LTE)行動資料與語音系統。
先進的OFDM系統允許次載波的調變可以依據作業與周遭環境條件而被加以修改。舉例來說，假如有一個電話用戶位在蜂巢式基地台的邊緣，那麼系統可能會決定利用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying)將次載波加以調變。該技術需要相對較低的訊號雜訊比以便成功地進行調變。這種處理方式所換得的是相對較低的資料速率。另一方面，假如電話用戶很接近蜂巢式基地台的中心而且需要高資料速率時，就可以傳送較高階調變次載波而使其具有較高的資料速率。
由於如64QAM與128QAM之類的較高階QAM訊號具有較高的峰均比，因此OFDM訊號(其可以輕易的由1,024次載波加以組合)的峰均比也會較高。從圖1中可發現此點相當顯而易見，而且訊號也會經過很深的低谷。因此，峰均比雖然常常被討論，但稍後仍然會發現在嘗試設計更具效率的功率放大器時，處於40dB範圍內訊號的峰值對最小值比也具有相當的意義。
圖2中所示為非常基本的功率放大系統方塊圖。由高功率放大器(HPA)的電源供應所發送至負載的電流，在這個範例中為±4伏特(V)。輸出訊號同時具有rms(VRMS)以及峰值位準(VPEAK)。為了維持良好的訊號保真度，輸出訊號與電源供應間必須要具有足夠的餘裕，訊號峰值才不會被削減掉。因為有著對此餘裕的需求，所以此系統就會具有基本的弱點或是無效率。假如訊號具有較高的峰均比，電源供應就必須被施加偏壓以適應其峰值，而非rms位準。
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| 圖2 具有高峰均比之訊號的功率放大器 |
假設輸出rms位準為1Vrms，而訊號的峰均比為4，也就是12dB。這所代表的是，訊號將具有4伏特的峰值及8伏特的峰值對峰值擺幅。此意味著對於系統的絕對最小電源電壓可以是±4伏特(或是在單電源系統中的8伏特)。被傳送至負載的功率相當於20mW(1V×1V/50)，而負載電流則相當於20毫安培(mA)。然而，由電源所傳送的功率相當於80mW(4伏特×20毫安培)。此相當於25%的效能，亦即100×(20mW/80mW)。
雖然上述的範例並不能真實地代表一個實際的系統，不過卻很適合展現高峰均比訊號的傳送會如何自然地使功率放大系統的效能降級。
打造汲極調變架構
圖3所示為替代性的功率放大器架構圖，試圖將上述的餘裕問題予以減緩。在這個狀況下，輸入訊號會被切分成兩組分支。在其中一個分支，訊號是受限的，也就是說以其相位資訊原封不動地被放大至飽和狀態。而在另一個分支當中，訊號則會被套用至包絡偵測器。接著，包絡偵測器的輸出會被用來為功率放大器(PA)對電源供應進行調變。這可以確保施加於PA的偏壓電壓只有在須要升高時才會升高，進而顯著地節省待機功率與提高效能。
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| 圖3 包絡的排除與恢復(亦稱汲極調變)架構 |
想要實現這種往往被稱為包絡排除與恢復(EER)或是汲極調變(此處的「汲極」所指的是功率FET電晶體的汲極)的系統並不容易，其最艱難的挑戰就在包絡路徑。具有20MHz頻寬的載波也具有20MHz的包絡頻寬。這所代表的是，包絡偵測器與PA電源供應必須要具有至少達到或是超過20MHz的頻寬，以避免相位延遲。
對於須要提供數十或是數百瓦特的電源供應來說，這點特別具有挑戰性。目前汲極調變主要是施行於窄波段系統上，像是需要數百kHz頻寬才足夠的單一載波全球行動通訊系統(GSM)–增強型GSM數據服務(EDGE)手機傳送。
最近在包絡偵測技術方面的進步，將有助於讓此架構順利實現。圖4中所示為亞諾德(ADI)新發表的TruPWR RMS與包絡偵測器ADL 5511的方塊圖。
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| 圖4 ADL 5511方塊圖 |
ADL 5511提供兩組來自於單一射頻(RF)輸入的個別獨立輸出。在VRMS上的電壓相當於輸入訊號的RMS電壓(以3為係數做比例縮放)。在VENV接腳上的電壓相當於輸入訊號的包絡。VENV的輸出則是參考在EREF輸出上可以取得的固定1.1伏特電壓。將包絡輸出電壓參考至非零值，是為了要確保淨包絡電壓(VENV-VEREF)能夠以低偏移電壓誤差一直擺盪到0伏特。
ADL 5511可以接收從-25dBm至+15dBm的輸入功率位準，亦即40dB的動態範圍。RMS與包絡輸出相對於溫度的精確度在±0.25dB之內。該偵測器也能夠在1M～4GHz的廣大頻率範圍中運作，不需要外部不平衡變壓器(Balun Tranformer)或外部反應匹配。
透過ADL 5511所延遲的包絡都已經被最小化至低於5奈秒(ns)。這使得訊號能夠被加以發送，而汲極調變包絡又能近乎同步，不需要漫長的延遲線。
除了汲極調變外，PA設計者也可以利用VRMS與VENV輸出，透過外部的峰值保持運算放大器電路來計算輸入訊號的峰均比。此外，具有內部峰值保持電路的亞諾德ADL 5502 rms與包絡偵測器也可用來作為峰均比的量測。
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| 圖5 顯示ADL 5511包絡與rms響應的圖形 |
圖5所示為ADL 5511的rms與包絡輸出對於單一寬頻分碼多工存取(WCDMA)載波的響應。中間大面積分布線所代表的是WCDMA載波，而分布線頂端的其他顏色線則代表該元件的VENV輸出。以其3.84MHz的晶片速率使得WCDMA訊號也具有3.84MHz的載波頻寬。由於ADL 5511包絡輸出具有接近80MHz的頻寬，因此VENV輸出就能夠精確地跟上快速變化的包絡。此外，該偵測器的40dB偵測範圍(同時包括rms與包絡輸出)能夠確保訊號的峰值和谷值能夠被擷取下來。
圖5中也顯示代表輸出訊號rms電壓(圖中央的直線，以1.5為係數做比例縮放)。此輸出訊號已經透過rms平均電容器(1μF)(連結至FLT4接腳)而加以平均。雖然此電容會顯著地降低rms輸出的響應時間，但是對於包絡輸出的響應沒有影響。
以快速的包絡頻寬與40dB的訊號偵測範圍，將有助於使全類比式汲極調變架構更加簡便，亦即驅動快速切換電源供應的包絡訊號是由原始調變載波所產生的系統。在這樣的架構中，額外的rms輸出在最終輸出功率位準的縮放上將會具有利用的價值。
(本文作者任職於亞德諾)