Doherty功放架構(gòu)及原理

當(dāng)今世界，通信技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異（準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是人類的欲望日新月異...），然而當(dāng)前人類所依賴的無(wú)線通信完全借由無(wú)線電，頻段還大都集中在C頻段以下，相當(dāng)擁擠。那么，為了在有限的頻譜資源內(nèi)增加信息的傳輸量，信號(hào)調(diào)制方式就越來(lái)越復(fù)雜，出現(xiàn)了如64QAM,256QAM等許多非恒包絡(luò)的調(diào)制方式，如此，就導(dǎo)致信號(hào)的峰均比不斷的變大。圖1-1是信號(hào)包絡(luò)瞬時(shí)概率分布與AB類功放瞬時(shí)效率曲線的比較圖（為啥和AB類比較呢？因?yàn)椴惶靡郧盎竟Ψ啪褪沁@個(gè)類型）。

圖1-1 AB類功放包絡(luò)效率與包絡(luò)概率分布

不難看出，信號(hào)分布在不大不小均值附近的概率較大，過(guò)大和過(guò)小的信號(hào)發(fā)生的概率比較小。然而從圖中亦可發(fā)現(xiàn)AB類功放的效率是隨著信號(hào)功率增加而增加的，因此在均值附近功放的效率很低。當(dāng)基站功放采用AB類功放時(shí)，常常需要從P-1dB回退6dB左右工作，此時(shí)的效率就會(huì)由50%降到20%（打個(gè)比方，不是確定數(shù)據(jù)），不要小看哦，如果要求輸出額定功率100W，你算算有多少功率發(fā)熱去了。

因此傳統(tǒng)的AB類功放就無(wú)法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)功放效率的要求。因此需要設(shè)計(jì)高效率的功放來(lái)滿足系統(tǒng)對(duì)效率的需求?？赡苣銜?huì)說(shuō)這有何難，用開(kāi)關(guān)類功放啊（比如E類），用諧波控制類功放?。ū热鏔類），理論效率100%啊。但是很不幸，這些高效率功放的線性校正好難，直接把做DPD的搞死了（搞算法的要加油哦...），同時(shí)這些高效功放的工作帶寬也不太夠，可靠性也不好。好在天無(wú)絕人之路，值得慶幸的是，早在1936年，W.H.Doherty先生就發(fā)明了Doherty功放架構(gòu)。

這種架構(gòu)的功放，在功放回退工作時(shí)可以同時(shí)具有較高的效率和比較好的線性度。這么牛逼的功放架構(gòu)的原理是什么呢，下面就一步步來(lái)解構(gòu)Doherty功放架構(gòu)（下面的講解針對(duì)具有了解功放管工作原理的同學(xué),不知道功放工作原理的同學(xué)請(qǐng)止步，惡補(bǔ)一下基礎(chǔ)知識(shí)先...）。

負(fù)載牽引原理

在講解Doherty工作原理之前，要先講一下它的命根子---負(fù)載牽引。那么什么是負(fù)載牽引呢？我們都知道功放在工作時(shí)會(huì)有一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)以及負(fù)載線。以偏置在B類的功放管為例，其在固定負(fù)載下意圖如圖1-2所示。

圖1-2 固定負(fù)載示意圖

從圖中可以看出，漏極電流是余弦脈沖，也就是說(shuō)功放沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)壓，工作在欠壓狀態(tài)，這個(gè)前提很重要，因?yàn)榇藭r(shí)的效率計(jì)算中，基波電流與直流電流的比已經(jīng)由偏置決定了，功放的效率是與漏極射頻電壓擺幅成正比的（具體解釋寫出來(lái)得一大篇，有空再碼）。

因此為了得到高效率，功放應(yīng)處于電壓飽和狀態(tài)，也就是射頻電壓擺幅要接近漏極電源電壓。圖中幾種不同顏色的信號(hào)代表不同的輸入輸出功率，可以看出輸出功率越小，效率越低（電壓擺幅?。?。然而，我們的需求是要在輸入信號(hào)均值區(qū)獲得高的功放效率，也就是說(shuō)要在輸入信號(hào)較小時(shí)，電壓的擺幅也能接近漏極電源電壓。

這在固定偏置及負(fù)載阻抗的情況下是無(wú)法辦到的。那么現(xiàn)在如果要求偏置狀態(tài)不變，要實(shí)現(xiàn)高效率怎么辦呢？聰明的你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)這一目的的方法就是讓功放的負(fù)載變大，讓功放在一個(gè)較小輸出功率電平上達(dá)到電壓飽和，獲得高效率。這就是所謂的負(fù)載調(diào)制。圖1-4是負(fù)載調(diào)制的示意圖。

圖1-3負(fù)載調(diào)制示意圖

從圖可以看出隨著負(fù)載的不斷變大（由藍(lán)色變到綠色），功放漏極電壓擺幅越來(lái)越接近漏極電源電壓，功放的效率越來(lái)越高。通過(guò)選擇合適的負(fù)載阻抗就可以讓功放在輸出均值功率時(shí)具有高效率。

Doherty如何提升效率？

直接看圖2-1。該圖是一個(gè)典型的兩路Doherty。容我略做介紹。從輸入開(kāi)始（作圖匆忙，圖中未標(biāo)，就是最左邊那個(gè)節(jié)點(diǎn)），信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)功分器后分為兩路，其一路我們稱為Carrier路，亦稱主路；其二路叫做Peak路，又喚輔路。這兩路信號(hào)最終在一個(gè)叫合路點(diǎn)（就是圖中兩路信號(hào)輸出交點(diǎn)處）的地方匯聚（就像長(zhǎng)江黃河同出一源（有待考證），最后又匯于汪洋大海一樣），然后浩浩蕩蕩流入負(fù)載。

圖2-1 典型兩路Doherty架構(gòu)

其實(shí)說(shuō)Doherty提升效率都是指其可以提升回退功率時(shí)的效率。如上面所講，現(xiàn)在的通信信號(hào)都具有高的峰均比，功放大都在均值功率處工作。舉個(gè)例子，比如信號(hào)峰均比是6dB，平均功率是100W，那么功放的輸出功率最高就要達(dá)到400W，因此如果你用一個(gè)400W的AB類功放回退到100W工作，那效率低的你自己都怕。因此呢對(duì)Doherty架構(gòu)來(lái)講，其一，總的輸出功率是由兩個(gè)（或更多）的功放管非隔離合路在一起的。如上圖中的Carrier和Peak兩個(gè)管子一起提供輸出功率。如此每個(gè)管子輸出功率就不需要那么大了；其二，在輸出均值功率時(shí)（回退時(shí)），通常只有一個(gè)功放管在工作（如上圖中只有Carrier管子，Peak關(guān)斷），這個(gè)管子在輸出該等級(jí)功率時(shí)的效率較高，比普通AB類回退要高近30%。以上圖為例，來(lái)說(shuō)下Doherty的工作過(guò)程。我們從滿功率狀態(tài)向均值功率回退。在滿功率狀態(tài)時(shí)carrier路和Peak路都飽和輸出，當(dāng)輸出功率慢慢變小時(shí)，peak路逐漸關(guān)斷，Carrier路的負(fù)載阻抗較飽和工作狀態(tài)時(shí)變大，這樣當(dāng)功率回退到均值功率時(shí)，雖然Carrier電流較負(fù)載不變時(shí)減小，但其電壓擺幅卻因?yàn)樨?fù)載阻抗變大而變大，這樣也能獲得同樣的輸出功率，但此時(shí)效率卻大大提升。

上面解釋了Doherty為何能在回退功率處提升效率---回退功率時(shí)負(fù)載阻抗變大，下面說(shuō)下其“負(fù)載阻抗變大”所依賴的有源負(fù)載牽引。

何為有源負(fù)載牽引？

我們分開(kāi)看就是：有源+負(fù)載牽引。負(fù)載牽引已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，那么有源語(yǔ)出何處呢？其實(shí)有源是指實(shí)現(xiàn)負(fù)載牽引的電路元件是有源器件，在Doherty里就是指功放管。我們這里做個(gè)約定，就是Carrier路和Peak路的功放可以等效為電流源（目前為止是可以的）。有了這個(gè)約定后，我們來(lái)分析有源牽引的工作過(guò)程。如圖2-2所示，將主路和輔路功放等效為兩個(gè)電流源，分別起名為Im，Ip。，二者的共同負(fù)載阻抗為R。

圖2-2有源負(fù)載牽引示意圖

如此，負(fù)載上的電壓就是由兩部分電流在其上面所產(chǎn)壓降的疊加。我們現(xiàn)在來(lái)做個(gè)情景模擬。首先假設(shè)電流Ip為0，那么此時(shí)只有電流Im流過(guò)負(fù)載R，負(fù)載上的電壓V就是Im*R。換言之，從電流源Im向負(fù)載方向看過(guò)去的阻抗Zm此刻等于V/Im，也就是等于負(fù)載阻抗R。好了，接下來(lái)我們假設(shè)電流Ip從無(wú)電流狀態(tài)慢慢的流出電流到負(fù)載，此時(shí)從電流源Im看向負(fù)載的阻抗Zm是多少呢？還是用電壓除以電流嘛。此刻負(fù)載上電壓是（Im+Ip）*R，電流是Im（這點(diǎn)很重要，因?yàn)閺碾娏髟碔m這一側(cè)看到流入負(fù)載的電流一直是Im，沒(méi)有變化的），那么此時(shí)的Zm就是（1+Ip/Im）*R了。聰明的你會(huì)發(fā)現(xiàn)，電流源Ip對(duì)電流源Im的視在阻抗進(jìn)行了調(diào)制（牽引）。

假設(shè)兩電流源的電流大小一樣，那么當(dāng)輔路電流為0時(shí)，主路的視在阻抗為負(fù)載阻抗R，輔路的視在阻抗為開(kāi)路狀態(tài)；當(dāng)輔路逐漸開(kāi)啟，電流Ip由小變大時(shí)主路的視在阻抗由R變?yōu)?R。這樣通過(guò)輔路電流注入的變換就完成了對(duì)主路視在阻抗的調(diào)制。啰嗦那么多是想在不寫公式的情況下把這個(gè)有源負(fù)載牽引的過(guò)程說(shuō)清楚。其實(shí)上面的一堆就是下面的一個(gè)式子（還是數(shù)學(xué)簡(jiǎn)潔?。?，愿意看的請(qǐng)移步。

有人看了上面的亂七八糟的東西，可能心生疑問(wèn)：這些和Doherty功放提升回退效率如何對(duì)應(yīng)呢？接下來(lái)就說(shuō)一下Doherty里如何進(jìn)行負(fù)載牽引（準(zhǔn)確的說(shuō)是對(duì)Carrier路），進(jìn)而提升回退效率的。為了方面，把圖2-1重新貼于此處。

我們以最經(jīng)典的兩路對(duì)稱Doherty來(lái)講，此時(shí)功分器是3dB等功分，主路和輔路所用功放管是相同的（匹配亦相同）。在輸入信號(hào)比較小的時(shí)候（也就是說(shuō)輸出功率不大時(shí)），Peak路是關(guān)斷的，不工作，沒(méi)有電流。此時(shí)從合路點(diǎn)向Peak路看過(guò)去的阻抗Rp為無(wú)窮大，為開(kāi)路狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)功率慢慢增加，peak路開(kāi)始打開(kāi)，有電流流入負(fù)載。如前分析，此時(shí)主路看到的阻抗Rm就開(kāi)始慢慢變大，當(dāng)兩路都飽和時(shí)，Rm就變?yōu)榱?R。

這個(gè)過(guò)程就是Peak路對(duì)Carrier路的有源負(fù)載牽引。那么有人此時(shí)可能有會(huì)有疑問(wèn)：不是說(shuō)Doherty是提升回退狀態(tài)（輸出較小功率）下的效率嗎？按你這種分析好像恰恰相反，輸出功率變大，Carrier路的負(fù)載阻抗變大（效率變大），回退功率時(shí)（Peak路減小輸出）負(fù)載阻抗變小（效率變低）。很好，其實(shí)細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在Carrier路中，功放輸出后有個(gè)叫阻抗變換器的東西。這個(gè)東西其實(shí)就是一個(gè)無(wú)源電路，通常理論分析時(shí)用一個(gè)1/4波長(zhǎng)的變換線來(lái)代替。有學(xué)過(guò)射頻的同學(xué)應(yīng)該都清楚，1/4波長(zhǎng)變換線特征阻抗確定后，其兩端的阻抗是反比關(guān)系的，也就是一端阻抗由小變大那么另一端就是由大變小。說(shuō)到這里上面的疑問(wèn)應(yīng)該可以解決了（還不明白的請(qǐng)從頭再讀十遍。。。）。這個(gè)疑問(wèn)清楚了，那么這回分享的目標(biāo)也達(dá)到了。

編輯：黃飛

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