doherty功放工作原理.pdf

第 1 页 共 40 页 Doherty 功放 Doherty 功放 1．1． Doherty 应用的背景 Doherty 应用的背景 为了提高通讯系统的频谱利用率，为用户提供快速的数据传输和多媒体 数据业务以及全球漫游功能，现在的通讯系统采用宽带的数字调制技术，如 BPSK、QPSK 和 QAM 等，WCDMA、TDSCDMA 和 CDMA2000 均为非恒包络信号， 其峰均比都较高，这就意味着发射通道要使用高线性放大器，为了满足大动 态内的线性指标，系统通常使用大回退的 AB 类功放，功放的效率极低，又不 能满足供应商的节能要求，为了解决这个矛盾，只能借助高效率功放和线性 化技术的有效配合目前的线性化技术有前馈技术、模拟预失真和数字预失 真，前几年前馈技术和模拟预失真技术被广泛应用于商用机中，随着技术的 发展和精力的投入，数字预失真技术近一两年内也陆续成熟并得以应用，这 样就有待于高效率功放的出现 提高效率的方法有小回退 AB 类功放、 Doherty 技术、Cherix 技术、EER（envelope elimination and restoration）和动 态包络跟踪等技术。

其中，小回退 AB 类功放虽然实现容易，便于生产，但其 提高效率的能力有限，不足以满足要求；Cherix 技术需要信号幅度和相位在 宽频带内的精确转换，技术难度很大；EER（envelope elimination and restoration）和动态包络跟踪需要宽带和高反应速度的电源转换器，目前的 器件不能达到要求；而 Doherty 技术不需要高性能的器件，只是通过匹配电 路和 Auxiliary Amplifier 的配合实现有源调制即可，鉴于 Doherty 功放结 构简单的优点，其研究比较广泛，也陆续付诸使用，并在原由构架至上有所 演变，以克服其自身缺点，谋求性能改善不过动态包络跟踪技术同时实现 了高线性和高效率，并且结构相对简单，就个人观点其将是继 Doherty 技术 后的发展趋势 2．2． Doherty 功放的原理 Doherty 功放的原理 Doherty 技术是由 W.H.Doherty 于 1936 年发明的，最初应用于行波管， 为广播提供大功率发射机，其架构简单易行，效率高，曾一度广泛应用 Doherty 的原理框图如下 第 2 页 共 40 页 Doherty 功放分两路，一路是 Main Amplifier，或者称为 Carrier Amplifier， 处于 AB 类状态， 另一路是 Auxiliary Amplifier， 或者称为 Peak Amplifier，一般为 B 类或者 C 类状态，输入端为 Willkinson 二等功分器， Auxiliary Amplifier 一路输入端有 1/4 波长线，用以平衡两路的相位；而 Main Amplifier 一路的输出端也有 1/4 波长线，作用除了与 Auxiliary Amplifier 输入端 1/4 波长线相呼应外，也是实现不同信号强度时负载变换， 达成负载调制的关键部件。

由 1/4 波长阻抗变换器的转移矩阵[A]和基尔霍夫定理可以得到以下公 式： 0 0 0 1 0 p m p m p V jZ V V j I jI Z R ⎡⎤ ⎡⎤ ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥= ⎢⎥ ⎢⎥ − ⎢⎥+ ⎣⎦ ⎣ ⎦⎢ ⎥ ⎣⎦ 0pm VjZ I= 0 0( ) mmp Z VZII R =− 0 2 m mp Z Z II = + (其他书籍上的推导是不妥当的) 从上面公式可以得出这样的结论：负载上的电压只与 Main Amplifier 电流有关， 当然线性指标也主要由 Main Amplifier 决定； 另外 Main Amplifier 的输出电压是由 Auxiliary Amplifier 电流牵制的 图 1 Doherty功放的基本框图 第 3 页 共 40 页 Auxiliary Amplifie 工作在 C 类，其漏电流与输入电平之间的关系用最 简单的线性模型近似，如图 3 所示 Auxiliary Amplifier 的漏电流可以用下面的数学模型表征 0 () psat p msatpsat Ii I IiIiγ 对于本文提到的经典电路，2γ= 2 0 opt 2 0 00 opt 2 2 () mpsat m msatpsat Z IIi R V Z ZIZiIi R γγ 为了使得 Auxiliary Amplifier 能够控制住 Main Amplifier 电压值，大 功率时保持预饱和状态，需要 图 3 输出电流的线性近似 图 2 Doherty功放的等效电路 第 4 页 共 40 页 0opt ZRRγ== Doherty 功放工作的三个阶段 Doherty 功放工作的三个阶段 就本质而言，Doherty 技术就是有源负载调制技术，也就是说，Main Amplifier 的负载随着信号强度的变化而变化。

那么有必要分不同阶段分别 阐述功放的状态， 以及各阶段功放状态的转变 从输入信号强度划分， Doherty 功放的工作区域大致为三个阶段：小信号阶段、中等信号阶段和大信号阶段 1）小信号阶段 在小信号阶段，由于 Auxiliary Amplifie 工作在于 B 类或者 C 类，信号 强度不足以使得其工作，因此其截止，0 p I =，呈现开路状态，因此 2 0 opt 2 mm Z VI R = Main Amplifier 等效负载为 2 0 opt opt 2 2 l Z ZR R == 由于 1/4 波长变换线将负载变为 2Rpot，负载电压升高，致使 Main Amplifier 提前进入预饱和状态，效率提高 2）中等信号阶段 当信号逐渐增强时，Auxiliary Amplifier 开启，有源调制效应出现， Main Amplifier 的等效负载， 由 2Ropt 向 Ropt 方向减小 （并没有达到 Ropt） ， 而 Main Amplifier 电压受到 Auxiliary Amplifier 牵制保持预饱和状态（进 入深度饱和线性会极差） ，Auxiliary Amplifier 的负载也由开路状态向 Ropt 第 5 页 共 40 页 转变，如图所示 这样功放由最大效率状态向最大输出状态转变，效率维持不变（理想情 况，实际上有所下降） ，线性有所提高，通常并不明显。

3）大信号阶段 随着输入信号的逐步增强，Auxiliary Amplifier 和 Main Amplifier 的 电流增大，Main Amplifier 输出电压不变（理想情况） ，保持高效率，而 Main Amplifier 的负载继续减小，功率输出增加，当 Auxiliary Amplifier 达到 饱和时，Main Amplifier 和 Auxiliary Amplifier 电流都达到最大值，主、 辅功放负载均为 Ropt，此时相当于 AB 类功率合成，输出达到最大 第 6 页 共 40 页 总结： 总结： 从 Doherty 功放的基本原理出发，我觉得它能够在较大范围内保持高效 率的关键可以总结为以下几点： 1.1. 小信号提前饱和效应 小信号提前饱和效应 利用功放工作点越靠近饱和点，功放效率越高的特点，小信号 时，Auxiliary Amplifier 截止，Main Amplifier 负载为 2Ropt， Main Amplifier 提前预饱和，效率提高； 2.2. Auxiliary Amplifier 的牵制作用 Auxiliary Amplifier 的牵制作用 为了保持 Main Amplifier 的高效率而不使其进入饱和状态， Doherty 功放利用 Auxiliary Amplifier 的推挽作用，牵制住 Main Amplifier 的输出电压不变（理想情况） ，而其输出电流随输入电平 变大，其等效负载减小 2Ropt—Ropt，实现高功率输出，也称作“负 载调制”. 3．3． Main Amplifier 的状态转变 Main Amplifier 的状态转变 Main Amplifier 在小信号阶段应该处于最大效率匹配状态，大信 号时处于最大输出匹配状态，中等信号阶段 Main Amplifier 处于由最 大效率状态到最大输出状态的过渡状态，既能保证较高的效率又能兼 第 7 页 共 40 页 顾功放线性，所以通常工程中都会让 Doherty 功放工作于中等信号强 度。

4． 4． Doherty 功放的工程模型以及演变 Doherty 功放的工程模型以及演变 前面从原理的层面对 Doherty 功放进行了分析，但是实际工程中从调试 的角度以及小型化考虑，在构架上有些变化，下面的内容将逐一介绍 1）传统的 Doherty 功放工程模型 从上图得知工程模型比原理模型在输入和输出端增加了 offset 线， 其目的有 3 个：其一，调整 offset4 的长度，可以微调 Main Amplifier 的负载阻抗，以达到高效率和高线性的目的；其二，调整 offset3 的长 度可以保证小信号下 Auxiliary Amplifier 的开路效果，通常阻抗为 300 欧姆；offset1 和 offset2 用于调整两路的相位差，由于 Main Amplifier 和 Auxiliary Amplifier 工作点上有差别，必然相位上存在差异，因此 需要微调，另外其长度也能调整功放的中心频率 下图为 Freescale 设计的 MRF21045 的 Doherty 功放，在其 layout 中可以清楚地看到可以调整线长的机构，已经用红色线条标出 第 8 页 共 40 页 2）Doherty 功放的小型化 传统的 Doherty 功放由于引入了几段 1/4 波长线，尺寸相对很大， 不能满足小型化的需求，因此急需缩小其 layout 尺寸，大致方法有几种 方法：反型结构、负载阻抗变小或者增大、3dB 桥代替输出端两个 1/4 波 长线等，下面分别介绍： A）反型 Doherty 功放 反型结构是相对传统结构而言，简单的说就是 Main Amplifier 和 Auxiliary Amplifier 的位置进行互换，如下图，但是输出端的 offset 线可以相对变短，因为 Auxiliary Amplifier 后面的 1/4 波长线可以代替 offset3 实现其小信号的开路效果，因此尺寸可以减小。

同时需要注意的 是反型结构 Main Amplifier 的负载是由 25 欧姆到 50 欧姆的变化过程， 大家可能不易理解，传统型的是由大负载获得高效率，而反型的却用小负 载获得，其实都无所谓只要能够实现负载调制和效率提高即可 第 9 页 共 40 页 LPA-S1 线性功放中主功放就是采用的这种方式，即 MRF21180 的反 型 Doherty 结构 B）增加或者减小负载阻抗 ●传统结构、减小负载阻抗 通常功放都是以 50 欧姆负载进行匹配设计的，而功放的阻抗一 般只有几欧姆，因此匹配电路的尺寸较大，匹配电路也比较复杂，为 了减小电路尺寸并且降低匹配设计难度，可以将负载阻抗降低，比如 说 25 欧姆，那么其框图如下 Freescale 设计了 MRF6S21190 的 Doherty 功放，其版图如下 第 10 页 共 40 页 此功放的匹配电路就是以 25 欧姆为负载进行设计的，这样在相 当程度上减小了功放尺寸，支持了功放小型化的需求，可以提倡，不 过由于是以 25 欧姆进行匹配的， 所以在调试单路功放时需要 50 欧姆 到 25 欧姆转换的工装，相对较为麻烦，这也是其缺点 ● 反型结构、增大负载阻抗 前面已经谈到反型结构在一定程度上已经减小了功放尺寸， 再加 上增加负载阻抗，能进一步减小尺寸，其原理框图如下 Peak Amplifier Carrier A。