PA怎么还会有“记忆”？记忆效应有什么影响-电子发烧友网

在5G PA设计和应用中，有一个名词经常被大家提及：记忆效应（Memory Effect）。

PA怎么还会有“记忆”？记忆效应有什么影响，又要怎么规避？带着以上问题，本文对PA的“记忆效应”做一个讨论

PA的“记忆效应”

什么是PA的“记忆效应”？

记忆效应是指器件的特性随时间变化而发生变化的现象。器件特性随时间变化，当前时间的特性受上一时间状态的影响，就好像器件带有“记忆”一样，所以这种特性被称作“记忆效应”。

对于PA电路来说，记忆效应反应出来的现象是：在同样的输入功率下，PA的增益、延时等特性在不同时刻表现不同。

PA一旦表现出强的记忆效应，线性度将会受到明显影响，出现宽带线性度恶化、左右ACLR不平现象，还会影响预失真（DPD或APD，数字预失真或模拟预失真）电路的工作 [1]。在PA设计和使用中，记忆效应需要尽量规避。

PA记忆效应的识别

方法一：观测AM/AM、AM/PM

在PA输入端加入输入信号，观察PA的输出信号，将此时放大器的增益、相位与输入信号逐点一一对应起来，就得到不同功率下的AM/AM、AM/PM特性曲线。观测AM/AM、AM/PM是识别记忆效应的最主要方法。

未发生记忆效应时，AM/AM、AM/PM曲线为一条平滑曲线，代表同样输入功率时不同时刻PA的特性保持相同。发生记忆效应时，曲线表现出一组发散分布的点，点的分散的离散与否代表了记忆效应的强弱。如果AM/AM、AM/PM曲线表现分散，表示对于一个同样的输入功率，PA有不同的增益、相位变化。PA的状态不止以此时刻的输入有关，还与其他时刻的状态有关，即PA表现出了“记忆效应”。

图：带有记忆效应的PA特性[1]

方法二：宽带ACLR的恶化或不对称

另外一个识别记忆效应的方法是观察ACLR随信号带宽的变化。如果观察到信号带宽变宽时ACLR出现快速恶化，或者开始出现明显的左右不对称时，很有可能是发生了记忆效应[2]。

图：典型的PA左右ACLR不对称现象

ACLR不对称的产生也对测试造成较大困扰，当左右ACLR差别较大时，数据的准确记录都成问题。当发生严重左右不对称现象时，需要停下来检查PA是否发生了记忆效应。

方法三：宽带双音信号IMD3恶化或不对称

与观测宽带ACLR是否恶化方法类似，还可以采用观察宽带双音信号（Two tone）的IMD3是否出现记忆效应。

采用双音对PA进行激励，并将双音信号的间距逐渐由小变大，测试双音信号的IMD3。如果随着双音信号的间隔变大，IMD3出现恶化或左右不对称，则代表PA开始出现记忆效应。如下图所示测试，当信号间隔大于10MHz时，PA记忆效应开始显现。

图：采用双音测试法识别PA记忆效应

PA记忆效应的产生与规避

在对PA记忆效应的分析中，一般认为是输入信号中随时间变化的包络引起了PA特性的变化，造成PA不同时间的响应不同。为何输入信号会有包络呢？包络又是如何进一步引起PA特性变化？

4G/5G信号的包络

4G/5G系统中所使用的调制方式是OFDM（Orthogonal Frequency Division Modulation，正交频分复用）调制，OFDM是一种特殊的FDM（Frequency Division Multiplex，频分复用）调制方式。

FDM是无线通信中的重要复用技术，是指将传输信号调制到不同频率的多载波上，再进行空间传输。与单一频率的单载波信号相比，FDM可以有效增加带宽，提升传输速率，并且可以增强信号抗干扰能力，在无线通信系统中得到广泛应用。下图为FDM系统的典型实现框图。

图：频分系统的时域及频域图示

OFDM本质也是一种FDM技术，也是利用频分的方式进行信号的空间复用传输。只不过在信号的正交上，并不只是采用如传统FDM相同的频分技术，还利用到了一些信号在正交上的特性，OFDM利用到的信号正交特性可由如下积分公式表示，当积分区间为0~2π时：

如果将cos nx看成一路信号，sin mx或cos nx看成另外一路信号，可以看到相同的信号相乘后积分为π，不同信号相乘后积分为0。所以对于混在一起的不同信号，我们只需要用指定信号和其相乘积分，就可以将有用信号提取出来，实现信号的正交。这就是正交频分复用的原理。

利用这一特性，OFDM中并不需要像传统FDM一样保留较宽的保护带，而是可以将频率成倍数关系的子载波叠加在一起，就可以完成频分复用，大大提高了频谱利用效率。FDM和OFDM的频域关系如下图所示：

图：FDM与OFDM的频谱特性 [6]

在信号传输时，频域上多个子载波频分复用进行信号传输，时域上这些信号幅度相叠加。如果某一时间点几个子载波的振幅均为高位，则叠加出现峰值功率，OFDM信号的峰均比：PAPR（Peak to Average Power Ratio）就此出现。

图：OFDM信号的时域叠加：

形成高峰均比（非恒定幅值）信号

以上OFDM信号的产生均在基频处发生，为了将信号在空间传输，需要将信号调制到射频频率。一般在无线通信系统中，将携带信息的OFDM信号称为基带信号，所对应的频率也称作基带频率。由于射频信号的调制和放大经常伴有谐波发生，为了把射频的信号做区分，一般将所用来做射频调制的频率称为基频频率，将信号的谐波称为二次、三次谐波频率。

图：基带频率、基频频率与谐波

（二次谐波为代表）频率之间的关系

经过射频调制的OFDM信号波形如下图所示。

图：OFDM基带包络信号的形成（左）

及射频基频信号正交调制后的波形（右）

由上图（右）可以看到，OFDM基带信号被射频频率调制成包络与原始OFDM信号相同、载波频率与射频基频信号相同的射频信号。

以上信号将进入功率放大器放大输出，即进入功率放大器的信号并不是恒包络信号，而是包络跟随OFDM信号变化、带有峰均比的信号。这就是4G/5G中射频信号包络产生的过程。

PA记忆效应的来源

在4G/5G 通信系统中所使用的是非恒定包络的OFDM信号，如果PA特性随信号包络在变化，则会发生记忆效应。

在PA记忆效应的分析中，一般将包络信号对PA的影响分为三类 [3]，分别是：

电记忆效应；

电热记忆效应；

半导体器件陷波效应（Semiconductor Trapping Effects）。

电记忆效应和半导体器件的陷波效应

PA是高耗电器件，同时PA特性对温度敏感。对于PA器件而言，热扩散与时间相关。下图为对PA芯片进行一维等效，在芯片表面加热源后，芯片各部分位置温度随时间变化图。可以看到，随着时间的不同，芯片各位置的温度发生变化[3]。

图：PA晶体管芯片温度分析的一维等效

如果PA的输入信号带有包络，不同包络信号的幅度将会引起PA温度的变化，进而引起PA特性的不同，使PA产生记忆效应。通常情况下，电热记忆效应只与低于1MHz的包络频率有关，因此，通常把电热记忆效应认为是长时记忆效应。

针对于电热记忆效应，需要对PA进行良好的散热设计，确保PA产生的热量可以良好扩散。

半导体的陷波效应（Semiconductor Trapping Effects）是指在半导体器件中表现出来的记忆效应，此种记忆效应与半导体制造工艺相关。对于半导体陷波记忆效应，设计上可尝试的方法并不多，需要代工厂在器件上做优化和保障。设计中可以采用较为成熟的半导体工艺，确保器件侧无记忆效应问题。

电记忆效应

电记忆效应是PA电路记忆效应的主要来源。

在PA设计中，PA能量的来源是直流供电。直流供电需要通过偏置电路加在器件的输出（集电极或漏极）及输入（基极或栅极），这些偏置电路需要完成供电功能，并且不能影响到射频信号传输。

理想情况下，偏置电路需要对射频信号表现出高阻（射频信号才不会进入到偏置电路中），同时对其他频率保持低阻（防止其他频率出现交流电压摆幅）。对于射频信号的包络频率来说，由于其与射频载波信号的二阶交调（IMD2）刚好会落在信号的旁带，所以射频信号包络频率的阻抗控制尤其重要。如果处理不好，偏置电路将会发生包络调制，引起ACLR恶化。

图：简单PA偏置网络示意图

以上图所示简单偏置电路来理解包络信号对PA偏置的调制作用。图示为简单共射极放大电路，放大器集电极通过串联电感连接至直流供电电源，Bypass电容提供射频接地，电感LC提供高的射频阻抗。

如果假设PA工作射频频率为2.6GHz，电感LC的感值为3nH，供电电压为3.4V，电流为500mA。则电感LC可提供的射频阻抗为ZBias@2.6GHz=49Ω，由于此点的射频负载阻抗ZLoad@2.6GHz≈3.5Ω，在2.6GHz射频工作频率，ZBias远大于ZLoad，偏置网络可以提供较高的射频阻抗，使射频信号不进入偏置网络内。

如果此2.6GHz信号带有10MHz信号带宽，位于基带频率的10MHz的包络信号在经过LC产生的压降为0.1V左右，晶体管接收到的将不是一个稳定的3.4V供电电压，而是一个受包络调制，摆幅0.1V的变化电压。如果晶体管特性在0.1V供电电压波动时不产生变化，输出信号将看不到记忆效应。

如果这时将输入信号带宽提高到100MHz，则LC产生的包络频率压降将提升至1V左右，这将对一个3.4V供电的电源带来明显影响，如果晶体管特性在1V的变化下发生明显变化，记忆效应将显现。所以，随着信号带宽的增加，偏置网络引起的记忆效应现象将更加明显。这也是为什么5G相比4G记忆效应问题更加突显的原因。

以上是以输出偏置网络为例对电记忆效应其中一个成因的简单描述。在PA设计中，PA输入偏置网络、阻抗匹配网络的记忆效应均需要在设计中加以考虑。

对包络信号引起IMD3变化的定量分析如下。

输入放大器带有一定带宽的OFMD信号调制信号可以简化为一组双音信号，频率分别为ω1，ω2，在只考虑HBT器件非线性跨导时gm2，IMD3信号产生过程如下：

输入端双音信号通过HBT器件的二阶非线性跨导gm2在输出端产生包络信号A2(ω1-ω2)、A2(ω2-ω1)；

输出端包络信号通过寄生电容和源极电感等反馈通路反馈到输入端，经过反馈通路后到输入端包络信号为B2(ω1-ω2)、B2(ω2-ω1);

输入端的包络信号和输入端的基频信号ω1再次通过HBT的二阶非线性跨导gm2产生二阶交调，在输出端产生IMD3信号H3(ω1-ω2)、H3(ω2-ω1)、，造成线性度的恶化；

图：宽带信号激励下，由于器件非线性引起IMD3的过程

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以上为宽带信号IMD3产生及影响线性度恶化的过程，通过Volterra级数推导，由二次跨导非线性gm2和包络信号产生的IMD3为：

通过以上公式也可以计算得到左侧IMD3H3(ω1-ω2)、H3(ω2-ω1)的表达式。需要说明的是，由于A2(ω1-ω2)及A2(ω2-ω1)位于零频两侧，二者阻抗不同，会导致第三步左右IMD3混频结果不对称，这也是左右ACLR不对称的来源。

当信号带宽变大时，即ω1与ω2频率相差变大。如果不加以控制，A2(ω1-ω2)与A2(ω2-ω1)之间的阻抗差别也会变大，造成宽带信号ACLR变差，这是宽带信号记忆效应表现更明显的原因。

可以看到，IMD3信号的大小与器件的线性与非线性跨导相关，同时与源端、负载端等阻抗相关。以上公式可以用来设计和控制包络信号产生IMD3分量的大小。

电热记忆效应的规避

电记忆效应的来源是由于在PA设计中，谐波及包络频率阻抗过大引起，在设计中，要注意对这些阻抗加以处理，将包络频率与谐波频率的阻抗尽量归零。

文章 [4]中提出了一种供电电路设计，此电路可以对基频信号提供较高的阻抗（91.75Ω），同时使包络信号及谐波信号保持较低的阻抗（0.2Ω及2.6Ω）。采用此偏置网络，PA线性度和ACLR恶化现象明显改善。

图：文章 [4]所提出偏置网络及其阻抗特性

图：文章 [4]所提出偏置网络对线性度有明显改善

在PA芯片的手机应用中，由于偏置网络在芯片内部已经设计好，重新设计偏置网络不是一个可行的选项。但在应用中观测到记忆效应时，还是需要对板级Bypass电容进行良好设计。

一般在PA芯片内部，Bypass电容为100pF量级（在2.6GHz阻抗为0.6Ω的低阻），起到对射频信号旁路功能。但100pF电容在100MHz处的阻抗为16Ω左右，无法为基带频率及包络频率提供低阻，所以，一定要在板级放置100nF量级Bypass电容，为包络信号提供近似理想接地，降低电源引起的记忆效应。