采用數(shù)字預(yù)失真的Doherty放大器的仿真方案

Doherty放大器可 以在很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出功率，并且具有很高的效率和卓越的線性度。Doherty放大器由載波放大器和峰值放大器組成，兩者通過(guò)四分之一波長(zhǎng)的傳輸線鏈 接在一起。載波放大器通常針對(duì)線性工作進(jìn)行偏置（例如A類或AB類放大器），而峰值放大器一般針對(duì)非線性工作進(jìn)行偏置（例如C類放大器）。隨著輸入功率的 增加，峰值放大器逐漸導(dǎo)通，從而增強(qiáng)載波放大器輸出的功率。如果設(shè)計(jì)正確，放大器的總功率將得到提升，而且具有更好的線性性能和效率。
　　隨著功放設(shè)計(jì)師追求高效率和低相鄰?fù)ǖ拦β时龋?a target='_blank' class='arckwlink_none'>ACPR），使用數(shù)字預(yù)失真（DPD）改善線性度正變得越來(lái)越流行。為了演示Doherty放大器的設(shè)計(jì)，本文將討論利用AWR公司的Microwave Office電路設(shè)計(jì)軟件完成的典型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何正確地解決晶體管中的各種非線性問(wèn)題。
　　這種放大器的設(shè)計(jì)和構(gòu)建基礎(chǔ)是恩智浦公司的晶體管技術(shù)。放大器的工作點(diǎn)和最優(yōu)負(fù)載將用標(biāo)準(zhǔn)的拉負(fù)載技術(shù)確定。電磁（EM）仿真將 用于建模放大器版圖的關(guān)鍵部分，其中，低阻抗輸出匹配部分帶寬非常寬，封閉式模型可能并不準(zhǔn)確。需要特別指出的是，輸出部分將用AWR公司的平面電磁仿真 器AXIEM進(jìn)行仿真。雖然用于建模Doherty放大器的主要電路仿真器是諧波平衡軟件，但本文還是會(huì)討論到許多其他的仿真選擇（包括電路包絡(luò)仿真的使用）。
　　Doherty放大器可以為功率很重要的應(yīng)用提供很高的功率附加效率（PAE），比如蜂窩基站應(yīng) 用。Doherty放大器最早是貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的William H.Doherty于1936年發(fā)明的。這么多年來(lái)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)已經(jīng)發(fā)生了改變——包括其從真空管到作為有源器件的晶體管的演進(jìn)——但基本概念一直沒(méi)變。近年來(lái)Doherty放大器變得越來(lái)越流行，因?yàn)樗鼈兡軌蛱幚磔^大的峰均比信號(hào)，而這一點(diǎn)是無(wú)線應(yīng)用中的典型要求。
　　圖1顯示了常見(jiàn)的Doherty放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中的關(guān)鍵是兩個(gè)并聯(lián)的放大器。上面的放大器偏置在AB類狀態(tài)下，而下面的放大器工作在C類。AB類放大器是設(shè)計(jì)作為線性放大器工作的，因此具有非常低的失真。遺憾的是，它的效率不高，理論上最大效率約為78.5%。
　　
　　圖1：這張簡(jiǎn)單的框圖展示了Doherty放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并聯(lián)使用AB類和C類放大器可以提高功效
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　　注意，AB類放大器的效率要高于A類放大器，因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管是并聯(lián)使用的，并且偏置使得每個(gè)放大器導(dǎo)通50%的時(shí)間。B類偏置是AB類偏置狀態(tài)的有限情況。 在AB類狀態(tài)下，設(shè)置偏置是使晶體管導(dǎo)通具有稍微重疊的區(qū)域。這樣可以最大限度地減小交越失真的問(wèn)題——交越失真是一種晶體管導(dǎo)通所需非零壓降導(dǎo)致的性能下降。
　　C類放大器用作電路中的峰值放大器。在C類放大器被偏置的條件下，只有當(dāng)非零輸入功率超過(guò)預(yù)定義的輸入閾值時(shí)晶體管才會(huì)導(dǎo)通。因此C類放大器的效率 很高，但具有高度非線性特性。Doherty放大器的理念是在低功率時(shí)使用AB類放大器，在較高功率時(shí)C類放大器也提供輸出功率。有意義的是，在較高功率 電平時(shí)這可以提高PAE。需要注意的是，電路包含兩個(gè)在工作頻率下四分一波長(zhǎng)的匹配部分。這兩個(gè)部分是必要的，因?yàn)榉糯笃鞯妮斎胱杩挂恢痹谧兓?，在所有?率電平范圍內(nèi)保持整個(gè)電路完美匹配非常重要。
　　本文所描述的Doherty放大器是基于恩智浦公司的晶體管實(shí)現(xiàn)的。圖2顯示了 Doherty放大器電路的高層次概念原理圖和版圖。從圖中可以清楚地看到典型Doherty放大器的各個(gè)部分。舉例來(lái)說(shuō)，版圖顯示了AB類（圖2上面） 和C類（圖2下面）放大器。在預(yù)期的工作點(diǎn)饋線相差90度。
　　
　　圖2：左圖是Doherty放大器的頂層原理圖，右圖是兩個(gè)放大器的版圖。
　　上述Doherty放大器是在Microwave Office軟件的輔助下設(shè)計(jì)的，使用了針對(duì)這類電路的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法。這里運(yùn)用了拉負(fù)載仿真來(lái)確定實(shí)際的輸入輸出負(fù)載——這是確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的第一步。圖3顯示了一個(gè)典型的拉負(fù)載曲線圖。
　　
　　圖3：這些拉負(fù)載仿真結(jié)果展示了恒定輸出功率曲線（藍(lán)色曲線）和PAE曲線（紫色曲線）。紅色圓圈代表最大輸出功率時(shí)的負(fù)載點(diǎn)；綠色方框代表最大功效時(shí)的負(fù)載點(diǎn)。
　　藍(lán)色曲線是在輸出負(fù)載變化時(shí)恒定輸出功率曲線。紫色曲線繪出了給定輸出負(fù)載條件下的PAE。當(dāng)（歸一化）負(fù)載位于紅色圓圈時(shí)達(dá)到最大輸出功率。當(dāng)負(fù)載位于綠色方框時(shí)達(dá)到最大PAE。幸運(yùn)的是，方框和圓圈位于基本相同的負(fù)載處，從2Ω到2.5Ω。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。
　　
　　圖4：輸出匹配網(wǎng)絡(luò)最初是使用傳輸線模型設(shè)計(jì)的，如左邊的原理圖所示。生成的版圖使用AWR公司的平面電磁仿真器AXIEM進(jìn)行了仿真。
　　最初的Doherty放大器設(shè)計(jì)是用標(biāo)準(zhǔn)傳輸線模型創(chuàng)建的。然而，這些模型不足以提供低阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)所需的極端長(zhǎng)寬比指標(biāo)。由于線路變得非常寬，模型精度會(huì)降低。因此版圖的仿真采用了非常適合平面版圖的平面電磁仿真器AXIEM。
　　圖4的右半部分顯示了網(wǎng)格狀的電磁版圖。這個(gè)版圖經(jīng)過(guò)了顏色編碼處理，以便顯示各種形狀的直流連接特性。需要著重指出的是，沒(méi)有必要將放大器版圖手動(dòng)輸出到 電磁放大器，而是可以使用AWR公司的電磁提取技術(shù)輕松地將電路版圖的目標(biāo)部分發(fā)送到電磁仿真中，端口可以在那里自動(dòng)添加。仿真得到的S參數(shù)結(jié)果用在了放 大器原理圖中而不是模型中，因此可以得到更精確的解決方案。
　　接著用AWR公司的諧波平衡仿真技術(shù)進(jìn)行電路建模。圖5顯示了晶體管的直流偏置線以及組成Doherty放大器的AB類和C類放大器的動(dòng)態(tài)負(fù)載線。紫色曲線是AB類放大器的動(dòng)態(tài)負(fù)載線，而綠色曲線是C類放大器的負(fù)載線。
　　
　　圖5：上面是Doherty放大器的晶體管在不同電壓（a，b，c）時(shí)的偏置線和動(dòng)態(tài)負(fù)載線。紫色曲線是AB類放大器的，綠色曲線是C類放大器的。隨著輸入功率增加，C類放大器開(kāi)始導(dǎo)通。
　　從 圖中可以看到，輸入功率從+26dBm增加到+40dBm；C類放大器導(dǎo)通，促使輸出電平增加。（注意：負(fù)載線包括封裝寄生效應(yīng)，這正是有負(fù)電壓與電流值 的原因。）圖6顯示了完整放大器的輸出功率（藍(lán)色曲線和左軸）和PAE（紫色曲線和右軸）。效率增加到約56%，這要比單獨(dú)使用AB類放大器或C類放大器 高出約7%。
　　
　　圖6：這些曲線顯示了Doherty放大器的輸出功率（藍(lán)色曲線和左軸）和PAE（紫色曲線和右軸）。
　　通 過(guò)校正系統(tǒng)中的各種非線性和失配還可以進(jìn)一步提高放大器的性能。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)。本文介紹的方法對(duì)于使用數(shù)字預(yù)失真的現(xiàn)代移動(dòng)編碼方案特別管 用。這種技術(shù)可以增加放大器線性工作的范圍，從而減小失真。該分析使用了AWR公司的Visual System Simulator（VSS）軟件。