干货·Doherty功放设计

当今世界，通信技术的发展可谓日新月异（准确来说是人类的欲望日新月异...），然而当前人类所依赖的无线通信完全借由无线电，频段还大都集中在C频段以下，相当拥挤。那么，为了在有限的频谱资源内增加信息的传输量，信号调制方式就越来越复杂，出现了如64QAM,256QAM等许多非恒包络的调制方式，如此，就导致信号的峰均比不断的变大。图1-1是信号包络瞬时概率分布与AB类功放瞬时效率曲线的比较图（为啥和AB类比较呢？因为不太久以前基站功放就是这个类型）。

图1-1 AB类功放包络效率与包络概率分布

不难看出，信号分布在不大不小均值附近的概率较大，过大和过小的信号发生的概率比较小。然而从图中亦可发现AB类功放的效率是随着信号功率增加而增加的，因此在均值附近功放的效率很低。当基站功放采用AB类功放时，常常需要从P-1dB回退6dB左右工作，此时的效率就会由50%降到20%（打个比方，不是确定数据），不要小看哦，如果要求输出额定功率100W，你算算有多少功率发热去了。。因此传统的AB类功放就无法满足现代通信系统对功放效率的要求。因此需要设计高效率的功放来满足系统对效率的需求。可能你会说这有何难，用开关类功放啊（比如E类），用谐波控制类功放啊（比如F类），理论效率100%啊。但是很不幸，这些高效率功放的线性校正好难，直接把做DPD的搞死了（搞算法的要加油哦...），同时这些高效功放的工作带宽也不太够，可靠性也不好。好在天无绝人之路，值得庆幸的是，早在1936年，W.H.Doherty先生就发明了Doherty功放架构。这种架构的功放，在功放回退工作时可以同时具有较高的效率和比较好的线性度。这么牛逼的功放架构的原理是什么呢，下面就一步步来解构Doherty功放架构（下面的讲解针对具有了解功放管工作原理的同学,不知道功放工作原理的同学请止步，恶补一下基础知识先...）。

负载牵引原理

在讲解Doherty工作原理之前，要先讲一下它的命根子---负载牵引。那么什么是负载牵引呢？我们都知道功放在工作时会有一个静态工作点以及负载线。以偏置在B类的功放管为例，其在固定负载下意图如图1-2所示。

图1-2 固定负载示意图

从图中可以看出，漏极电流是余弦脉冲，也就是说功放没有出现过压，工作在欠压状态，这个前提很重要，因为此时的效率计算中，基波电流与直流电流的比已经由偏置决定了，功放的效率是与漏极射频电压摆幅成正比的（具体解释写出来得一大篇，有空再码）。因此为了得到高效率，功放应处于电压饱和状态，也就是射频电压摆幅要接近漏极电源电压。图中几种不同颜色的信号代表不同的输入输出功率，可以看出输出功率越小，效率越低（电压摆幅小）。然而，我们的需求是要在输入信号均值区获得高的功放效率，也就是说要在输入信号较小时，电压的摆幅也能接近漏极电源电压。这在固定偏置及负载阻抗的情况下是无法办到的。那么现在如果要求偏置状态不变，要实现高效率怎么办呢？聪明的你可能已经发现，能实现这一目的的方法就是让功放的负载变大，让功放在一个较小输出功率电平上达到电压饱和，获得高效率。这就是所谓的负载调制。图1-4是负载调制的示意图。

图1-3负载调制示意图

从图可以看出随着负载的不断变大（由蓝色变到绿色），功放漏极电压摆幅越来越接近漏极电源电压，功放的效率越来越高。通过选择合适的负载阻抗就可以让功放在输出均值功率时具有高效率。

Doherty如何提升效率？

直接看图2-1。该图是一个典型的两路Doherty。容我略做介绍。从输入开始（作图匆忙，图中未标，就是最左边那个节点），信号经过一个功分器后分为两路，其一路我们称为Carrier路，亦称主路；其二路叫做Peak路，又唤辅路。这两路信号最终在一个叫合路点（就是图中两路信号输出交点处）的地方汇聚（就像长江黄河同出一源（有待考证），最后又汇于汪洋大海一样），然后浩浩荡荡流入负载。

图2-1 典型两路Doherty架构

其实说Doherty提升效率都是指其可以提升回退功率时的效率。如上面所讲，现在的通信信号都具有高的峰均比，功放大都在均值功率处工作。举个例子，比如信号峰均比是6dB，平均功率是100W，那么功放的输出功率最高就要达到400W，因此如果你用一个400W的AB类功放回退到100W工作，那效率低的你自己都怕。因此呢对Doherty架构来讲，其一，总的输出功率是由两个（或更多）的功放管非隔离合路在一起的。如上图中的Carrier和Peak两个管子一起提供输出功率。如此每个管子输出功率就不需要那么大了；其二，在输出均值功率时（回退时），通常只有一个功放管在工作（如上图中只有Carrier管子，Peak关断），这个管子在输出该等级功率时的效率较高，比普通AB类回退要高近30%。以上图为例，来说下Doherty的工作过程。我们从满功率状态向均值功率回退。在满功率状态时carrier路和Peak路都饱和输出，当输出功率慢慢变小时，peak路逐渐关断，Carrier路的负载阻抗较饱和工作状态时变大，这样当功率回退到均值功率时，虽然Carrier电流较负载不变时减小，但其电压摆幅却因为负载阻抗变大而变大，这样也能获得同样的输出功率，但此时效率却大大提升。

上面解释了Doherty为何能在回退功率处提升效率---回退功率时负载阻抗变大，下面说下其“负载阻抗变大”所依赖的有源负载牵引。

何为有源负载牵引？

我们分开看就是：有源+负载牵引。负载牵引已经说过了，那么有源语出何处呢？其实有源是指实现负载牵引的电路元件是有源器件，在Doherty里就是指功放管。我们这里做个约定，就是Carrier路和Peak路的功放可以等效为电流源（目前为止是可以的）。有了这个约定后，我们来分析有源牵引的工作过程。如图2-2所示，将主路和辅路功放等效为两个电流源，分别起名为Im，Ip。，二者的共同负载阻抗为R。

图2-2有源负载牵引示意图

如此，负载上的电压就是由两部分电流在其上面所产压降的叠加。我们现在来做个情景模拟。首先假设电流Ip为0，那么此时只有电流Im流过负载R，负载上的电压V就是Im*R。换言之，从电流源Im向负载方向看过去的阻抗Zm此刻等于V/Im，也就是等于负载阻抗R。好了，接下来我们假设电流Ip从无电流状态慢慢的流出电流到负载，此时从电流源Im看向负载的阻抗Zm是多少呢？还是用电压除以电流嘛。此刻负载上电压是（Im+Ip）*R，电流是Im（这点很重要，因为从电流源Im这一侧看到流入负载的电流一直是Im，没有变化的），那么此时的Zm就是（1+Ip/Im）*R了。聪明的你会发现，电流源Ip对电流源Im的视在阻抗进行了调制（牵引）。假设两电流源的电流大小一样，那么当辅路电流为0时，主路的视在阻抗为负载阻抗R，辅路的视在阻抗为开路状态；当辅路逐渐开启，电流Ip由小变大时主路的视在阻抗由R变为2R。这样通过辅路电流注入的变换就完成了对主路视在阻抗的调制。啰嗦那么多是想在不写公式的情况下把这个有源负载牵引的过程说清楚。其实上面的一堆就是下面的一个式子（还是数学简洁啊），愿意看的请移步。

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

有人看了上面的乱七八糟的东西，可能心生疑问：这些和Doherty功放提升回退效率如何对应呢？接下来就说一下Doherty里如何进行负载牵引（准确的说是对Carrier路），进而提升回退效率的。为了方面，把图2-1重新贴于此处。

我们以最经典的两路对称Doherty来讲，此时功分器是3dB等功分，主路和辅路所用功放管是相同的（匹配亦相同）。在输入信号比较小的时候（也就是说输出功率不大时），Peak路是关断的，不工作，没有电流。此时从合路点向Peak路看过去的阻抗Rp为无穷大，为开路状态。当输入信号功率慢慢增加，peak路开始打开，有电流流入负载。如前分析，此时主路看到的阻抗Rm就开始慢慢变大，当两路都饱和时，Rm就变为了2R。这个过程就是Peak路对Carrier路的有源负载牵引。那么有人此时可能有会有疑问：不是说Doherty是提升回退状态（输出较小功率）下的效率吗？按你这种分析好像恰恰相反，输出功率变大，Carrier路的负载阻抗变大（效率变大），回退功率时（Peak路减小输出）负载阻抗变小（效率变低）。很好，其实细心的同学会发现，在Carrier路中，功放输出后有个叫阻抗变换器的东西。这个东西其实就是一个无源电路，通常理论分析时用一个1/4波长的变换线来代替。有学过射频的同学应该都清楚，1/4波长变换线特征阻抗确定后，其两端的阻抗是反比关系的，也就是一端阻抗由小变大那么另一端就是由大变小。说到这里上面的疑问应该可以解决了（还不明白的请从头再读十遍。。。）。这个疑问清楚了，那么这回分享的目标也达到了。

作者：谢烟客

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