Charakterisierung von Leistungsverstärkern für die Entwicklung neuer und einfacher Vorverzerrungssysteme
Thema der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung digitaler Vorverzerrungssysteme zur Realisierung einfacher Systeme für den Einsatz in Mobiltelefonen zukünftiger Generationen. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der genauen Charakterisierung von Leistungsverstärkern in Hinblick auf eine einfache Vorverzerrung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen, die sich mit der Weiterentwicklung der Vorverzerrungsmodelle und nicht mit der Untersuchung des Verstärkers beschäftigen, werden hier die Nichtlinearitäten des Verstärkers genauer untersucht. Zum Einen ist es die Entscheidungsgrundlage für die Wahl des optimalen Vorverzerrungssystems und zum Anderen konnten damit Zusammenhänge erkannt werden, aus denen ein neues Vorverzerrungssystem zur Kompensation von Betriebsbedingungsschwankungen entwickelt wurde. Diese Aspekte sind in mobilen Geräten von entscheidender Bedeutung, weil nur sehr einfache Systeme aufgrund der Verlustleistungs- und Kostenanforderung umgesetzt werden können. Zentrales Messobjekt ist ein CMOS-Leistungsverstärker, der eine hohe Effizienz und gleichzeitig eine starke Nichtlinearität aufweist. Für die präzise Untersuchung werden diskrete Kennlinien für die Darstellung der Amplituden- (AM-AM) und Phasenkennlinien (AM-PM) eingeführt. Diese können im Gegensatz zur Polynomdarstellung den Kennlinienverlauf exakt nachbilden. Neben der präzisen Erfassung der Nichtlinearitäten wird ein neues Verfahren für die Messung von Memoryeffekten (Speichereffekten) in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz vorgestellt. Es basiert auf der Auswertung der Schleifenöffnung von AM-AM- und AM-PM-Kennlinien bei Verwendung von Zweitonsignalen unter Variation der Zweitonabstände. Damit ist es möglich, Memoryeffekte bei verschiedenen Modulationsfrequenzen zuverlässig zu detektieren und in Amplituden- und Phaseneffekte zu unterteilen. Diese Messmethode erlaubt, auch eine Zweitonfrequenz zu detektieren, bei der keine Memoryeffekte vorhanden sind. Eine speicherlose Vorverzerrung mit dieser Kennlinie liefert die besten Vorverzerrungsergebnisse. Bis zur maximalen Ausgangsspitzenleistung des Verstärkers konnten damit die Spezifikationen der untersuchten Standards EDGE, UMTS und WLAN mit ausreichender Marge eingehalten werden - trotz des Vorhandensein von Memoryeffekten. In einem wesentlichen Teil der Arbeit werden erstmals die Auswirkungen aller beeinflussbaren Betriebsbedingungen auf die Nichtlinearität (AM-AM- und AM-PM-Kenn"-linie) untersucht. Dabei kann im Falle der Variation der Temperatur, des Tastverhältnisses, der Eingangsleistung und der Arbeitspunkteinstellung ein Skalierungsverhalten der Kennlinien festgestellt werden. Mit nur zwei betriebsbedingungsabhängigen Skalierungsfaktoren können damit alle Kennlinien in eine Gesamtkennlinie abgebildete werden. Daraus wird ein neues Vorverzerrungssystem entwickelt, das mit Hilfe dieser beiden Skalierungsfaktoren und nur einer inversen Verstärkerkennlinie die Änderung dieser Betriebsbedingung kompensieren kann. Eine korrekte Funktionsweise bei Variation der Umgebungstemperatur mit nahezu konstanter Verbesserung der linearen Ausgangsleistung in einem weiten Temperaturbereich von -30 °C bis 90°C wird durch Messungen nachgewiesen.
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