[发明专利]用于宽带放大器线性化的装置和方法

说明书

本申请要求在2008年10月17日提交的题为“BROADBAND AMPLIFIER LINEARIZATION”的美国临时专利申请序列号61/106,455的优先权，其公开内容合并于此。

技术领域

本发明通常涉及电路，并且更特别地涉及用于宽带放大器线性化的电路和技术。

背景技术

诸如模拟CATV和数字QAM（正交幅度调制）信号的宽带信息的高效传输需要遍及网络的内容的线性放大。线性放大器是由于它们增加信号的幅度而添加少量失真的那些放大器。添加过度失真的放大器引起了图片质量的劣化以及减少的BER（位出错率）。维持遍及系统的良好失真性能需要仔细地注意沿传输链路的放大器的设计。

CATV系统中的放大器生成两种主要类型的失真，即二阶和三阶失真。每种类型的失真导致独特的系统损害，其限制了可以通过系统传输的内容或信息的有效量。例如，放大器中的三阶失真使QAM信号显现（develop）可能损害相邻QAM信道上的BER的频谱内容。该频谱再生是用于数字RF网络的放大器中的主要关注。

二阶失真以许多方式影响CATV系统，诸如模拟视频图片质量。然而，在新的CATV架构中，当模拟信道和QAM内容同时通过放大器传输时，二阶失真的存在越来越成为关注。通常QAM内容位于系统的上频带中，而模拟信道被留在下频带中。上频带中出现的二阶失真机制将生成回落到下模拟频带中的差积。由于上频率中的原始QAM内容与模拟内容不相关并且因此是类噪声的（noise-like），因此二阶失真将表现为模拟信号的噪声本底的增加，由此使图片质量劣化。

因较新的CATV架构通过输出具有较高水平的偏斜（tilt）的、较高电平的RF信号而努力减少系统放大器的数目的事实，而加剧了该问题。偏斜是最高信道处的信号电平较之最低信道处的信号电平之间的差。较高的输出电平和增加的偏斜意味着位于QAM频带中的RF功率在新系统中是较高的并且模拟频带中的电平是较低的。这进一步恶化二阶失真问题并且导致CATV放大器的设计中的重大设计挑战。必须越来越小心以确保二阶失真产物不会限制CATV系统。特别地，必须不允许使下模拟信道具有载波-噪声（CNR）问题的高QAM电平。考虑到较新的QAM内容和较高的RF输出，显然许多现有技术的线性化技术没有足够小心地解决该问题。

存在若干种控制和减少放大器中的失真的常见方法。最简单的技术是增加放大器自身中使用的晶体管的尺寸。尽管这容易降低失真，但是由于较大的晶体管需要更多的功率来操作，因此这也导致了较高的功耗。另一种技术是使用在器件级上固有更线性的较新的晶体管技术。近来已进行了改进晶体管的内部失真的大量工作。这些较新的晶体管技术在它们达到技术成熟时常常造成重大可靠性风险。

图1中示出了针对预失真的现有技术的方法。这里从预失真电路驱动需要减少失真的放大器。为了出现线性化，预失真电路创建的失真需要为与放大器中出现的失真相同的电平和相反的相位。换言之，如果来自线性化器的失真被无失真放大器放大，则该失真将需要具有与在相同的输出电平下操作时从真实放大器自身出现的失真相同的幅值但是相反的相位。因此，图1中的电路的操作可以被视为相消干扰电路，其中目标在于实现两个失真信号的幅值和相位的良好对准，因此存在尽可能多的抵消。

放大器设计的一个重要目标是通过如下器件实现良好带宽，这些器件自身常常具有重大端电容和电荷存储效应（在下文中被称为电容），其减慢电路中的电荷的移动并且限制带宽。也关键的是指出这些器件电容自身是端电压和电流的非线性函数。对于低频，这些效应对放大器失真具有最小的影响。然而，在较高的频率下，这些电容可能支配放大器失真。

如图2中所示，图1中的放大器的设计通常是通过若干种熟悉的拓扑来执行的。这些拓扑的差动形式也是常用的。共发射极拓扑已知具有良好效率和噪声性能，并且易于设计。然而，其往往由于器件电容可能支配频率响应和高频失真而具有差的性能。

共射共基（Cascode）拓扑通过将第二晶体管设置在主晶体管上方而帮助减轻输入-输出电容，其通常被称为集电极-基极或“密勒（Miller）”电容。共射共基或顶部器件的发射极为底部器件提供了低阻抗，这防止电压的积累并且使为充电和放电集电极-基极电容所需的能量最小化。共射共基到目前为止是现今的基础设施CATV放大器中使用的主要拓扑。更不用说，与较旧的硅技术一起使用的共射共基放大器在频率增加时仍然在其失真性能方面具有重大劣化。