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Doherty功放工作原理.pdf
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Doherty 功放
1. 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. 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
j
I
Z
R
⎡
⎤
⎡⎤
⎡⎤
⎢
⎥
⎢⎥
=
⎢⎥
⎢
⎥
−
⎢⎥
+
⎣⎦
⎣⎦
⎢
⎥
⎣
⎦
0pm
VjZI
=
0
0
()
mmp
Z
VZ II
R
=−
0
2
m
mp
Z
Z
I
I
=
+
(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
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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
msat p sat
I
i
I
I
iIi
γ
<
=
−
>
对于本文提到的经典电路, 2
γ
=
。
2
0
opt
2
0
00
opt
2
2
()
mpsat
m
msatpsat
Z
I
Ii
R
V
Z
Z
IZi Ii
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
Z
RR
γ
=
=
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
Z
R
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。
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