Doherty 功率放大器

Doherty 功率放大器设计

Doherty 功率放大器

现代无线通信系统在增加带宽和增加高速率数据传输应用的载波数方面已经做出了很大的进步。记忆效应使有较宽瞬时带宽的高功率放大器的设计非常困难。除了要考虑带宽之外，无线传输系统像CDMA2000，宽带码分复用（WCDMA），直角频分多路器等的瞬时传输功率非常宽又非常迅速，加载了高峰均比的信号。系统的基站功放需要高线性来无失真的放大高PAR信号源。为了满足线性要求，功率放大器通常以A类或AB类模式偏置，并且必须工作在输出峰值大量反馈回来的状态。

对现代无线通信系统的功率放大器的另一个要求是高效率。随着通信系统尺寸和成本的下降，冷却系统应该逐渐变得简单而且体积小，这就要求功放的效率高。由于back-off 操作，基站功放的效率非常低，让效率提高的技术变得越来越重要。要求在很宽的瞬时带宽范围内高效和满足线性的基站功放设计技术已经成为一个热门话题。

在本文中，我们向大家展示能够满足这些高要求的Doherty 功率放大器。我们介绍它的工作原理，包括线性和效率的改善，和放大器的基本电路配置。还描述了在很宽的频带范围内进行操作和改善线形的最先进的设计方法。为了认证需要，Doherty 功率放大器采用径向扩散氧化物半导体晶体管和测量的WCDMA 4FA信号。这些结果显示Doherty放大器在带宽，效率和线性要求方面是基站功率放大器的首选。

Doherty放大器操作

Doherty 放大器是1936年由.W.H. Doherty首先提议的。最初的Doherty放大器包括两个放大管和一个阻抗倒相网络。就像[3]中详细介绍的，使用RF Doherty放大器之后RF功率放大器的效率提高了。这个放大器由一个载波放大器和一个峰值放大器组成。输出负载通过阻抗倒相器（四分之一波长传输线）连接到载波放大器再直接通到峰值放大器。图1（a）显示的是分析Doherty 功率放大器的运算图。两个电流源表示放大器。假设每个电流源与同输入电压信号的比例是线性的，运行在AB类或B类放大形式，开启后会出现谐波短路，效率分析只能由基本的和直流元件得出。如图1（b）所示，峰值放大器在电压达到最大输入电压的一半时开启。

Doherty放大器技术基于每个放大器的负载阻抗变化，也就是根据输入功率电平进行负载调制。图1（b）显示放大器的基本电流。两个放大器的负载阻抗为

ZT2ZC＝ZL , 0<νin<Vin.max/2 2ZT＝IZL(1 P)IC, Vin.max/2 <νin< Vin.max (1)

ZP＝∞ , 0<νin<Vin.max/2

IC

IP＝ZL(1+) , Vin.max/2 <νin< Vin.max (2)

其中ZL是Doherty放大器的负载阻抗，IC和IP分别表示载波和峰值放大器的基波电流；ZC和ZP分别表示载波和峰值放大器的输出负载阻抗，在图1（c）中显示出来。

在较低的功率区域（0～Vin.max/2），峰值放大器仍旧处于断开状态，而载波放大器的

Doherty 功率放大器设计

负载阻抗是传统放大器的两倍大。这样载波放大器当输入电压达到（Vin.max）/2时达到饱和状态，因为最大基波电流摆动达到最大值的一半，最大电压摆动达到Vdc。结果最大功率电平是载波放大器允许的功率电平（四分之一最大总功率或最大总功率减6dB值）的一半,而且载波放大器的效率等于图2所示的载波放大器的最大效率。

在高功率部分（Vin.max/2～ Vin.max），峰值放大器在此区域导通，峰值放大器的电流电平在决定Doherty放大器负载调制的过程中扮演了重要的角色[见（1）和（2）]。假设峰值放大器的gm是载波放大器的两倍，峰值放大器的电流和电压摆动的增加与输入电压电平成比例，并且只有在最大输入电压情况下，电压摆动才能达到最大摆动值 Vdc。载波放大器的负载阻抗在2Zopt到Zopt之间变化，而峰值放大器的阻抗负载根据图1（c）显示的输入电压电平的变化，在∞到Zopt之间变化。Doherty放大器在最大输入电压的效率等于放大器的最大效率。当峰值放大器的尺寸与载波放大器相同时，而且通常都是这样的，两个放大器的gm值相等，而峰值放大器并不能完全启动，所以它的功率性能会下降。从基本的操作理论，我们可以看出在整个功率范围内，Doherty放大器与传统放大器相比效率更高。最终的Doherty放大器可以解决如何在大的PAR信号下保持高效的问题。

Doherty放大器的线性

Doherty放大器的线性比AB类放大器的更加复杂。AB类输入载波放大器在低功率电平时有个相当于平时两倍的负载阻抗，这个载波放大器的高阻补偿了它因为输入功率分配出现的低增益特性。在高功率电平，两个放大器使用常规负载阻抗产生最大功率，平衡了功率增益。另外在低功率区域，放大器的线性完全取决于载波放大器。因此即使负载阻抗非常高，载波放大器也应该保持高线性。

在功率高的地方，线性度 通过使用合适的门偏置使两个放大器的谐波相互抵消来改善。图3显示LDMOS晶体管的三阶谐波产生系数gm3和两个放大器的偏置点。而对于每个放大器的增益特性，对于每个放大器的增益特性，C类偏置峰值放大器的延迟扩展增益可以补偿AB类载波放大器的增益抑制。这样基于负载调制技术的Doherty放大器，能够比传统的AB类放大器更好的传输线性度好的输出功率。载波放大器的3级内部调制（IM3）电平增加了，而IM3的相位降低了，因为载波放大器的增益被压缩了。相反的，当放置放大器的增益扩展后，IM3的电平和相位都会增加。在两个放大器中低偿IM3，相同振幅下各成分的相位应该改变1800。因此峰值放大器应该设计成它的谐波正好能够抵消载波放大器的谐波。

Doherty放大器的电路配置

图4显示的是在输出电路有偏置传输线[5]的全匹配微波Doherty放大器的原理图。载波和峰值放大器有输入/输出匹配网络，分别从设备的输入阻抗传输到50Ω电阻和从设备的最适宜负载阻抗Zopt传输到50Ω电阻。附加的偏置传输线的特性阻抗为50Ω，连在载波和峰值放大器匹配电路的后面。在功率擦较低的区域，偏置线的相位调整使峰值放大器开路，并且载波放大器的特性阻抗由于四分之一波长阻抗变压器编程原来的两倍，达到2R0。这个显示在图5（a）和（b）中。载波放大器的偏置线通过合适的负载调制在Zopt到2Zopt之间变化，如图5（a）所示。图5（b）中显示峰值放大器的偏置线调整到高阻状态来阻止功率泄漏。图5（c）显示史密斯图的合理转换来决定放大器偏置线的长度。这条线不会影响总的匹配条件和负载调制，因为它是与50Ω特性阻抗相匹配的。Doherty输出组合电路包括特性阻抗为50Ω的四分之一波长传输线和能够从50Ω转换到25Ω的四分之一波长传输线来决定输出组合电路的负载阻抗。峰值放大器的输入端需要一个相位延迟线来调整峰值和载波放大器之间相同的延迟[6]。

Doherty放大器包括一个AB类偏置载波放大器和一个C类偏置放置放大器。因为使用

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不同的偏置，放大器的RF电流根据输入驱动电平的不同而变化。

为了满足线性要求，功率放大器通常为A类或AB类偏置模式而且必须工作在峰值输出功率大量回退的情况。

Doherty放大器的先进设计方法

Doherty放大器的基本操作原理在前面部分已经描述过了。我们可以看到微波Doherty放大器的优势是电路配置简单，效率和线性度好。在这一部分，我们会讲解Doherty放大器的一些典型问题，并会举出实例来让大家理解。

基站系统的Doherty放大器有两个尺寸相同的放大器， …… 此处隐藏：5089字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……