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采用数字预失真的Doherty放大器的仿真方案
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2017-11-18
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Doherty放大器可 以在很宽的动态范围内输出功率，并且具有很高的效率和卓越的线性度。Doherty放大器由载波放大器和峰值放大器组成，两者通过四分之一波长的传输线链 接在一起。载波放大器通常针对线性工作进行偏置（例如A类或AB类放大器），而峰值放大器一般针对非线性工作进行偏置（例如C类放大器）。随着输入功率的 增加，峰值放大器逐渐导通，从而增强载波放大器输出的功率。如果设计正确，放大器的总功率将得到提升，而且具有更好的线性性能和效率。
随着功放设计师追求高效率和低相邻通道功率比（ACPR），使用数字预失真（DPD）改善线性度正变得越来越流行。为了演示Doherty放大器的设计，本文将讨论利用AWR公司的Microwave Office威廉希尔官方网站 设计软件完成的典型设计。设计的关键是如何正确地解决晶体管中的各种非线性问题。
这种放大器的设计和构建基础是恩智浦公司的晶体管技术。放大器的工作点和最优负载将用标准的拉负载技术确定。电磁（EM）仿真将 用于建模放大器版图的关键部分，其中，低阻抗输出匹配部分带宽非常宽，封闭式模型可能并不准确。需要特别指出的是，输出部分将用AWR公司的平面电磁仿真 器AXIEM进行仿真。虽然用于建模Doherty放大器的主要威廉希尔官方网站 仿真器是谐波平衡软件，但本文还是会讨论到许多其他的仿真选择（包括威廉希尔官方网站 包络仿真的使用）。
Doherty放大器可以为功率很重要的应用提供很高的功率附加效率（PAE），比如蜂窝基站应 用。Doherty放大器最早是贝尔电话实验室的William H.Doherty于1936年发明的。这么多年来设计的细节已经发生了改变——包括其从真空管到作为有源器件的晶体管的演进——但基本概念一直没变。近年来Doherty放大器变得越来越流行，因为它们能够处理较大的峰均比信号，而这一点是无线应用中的典型要求。
图1显示了常见的Doherty放大器拓扑结构，其中的关键是两个并联的放大器。上面的放大器偏置在AB类状态下，而下面的放大器工作在C类。AB类放大器是设计作为线性放大器工作的，因此具有非常低的失真。遗憾的是，它的效率不高，理论上最大效率约为78.5%。
图1：这张简单的框图展示了Doherty放大器的拓扑结构。并联使用AB类和C类放大器可以提高功效
。
注意，AB类放大器的效率要高于A类放大器，因为两个晶体管是并联使用的，并且偏置使得每个放大器导通50%的时间。B类偏置是AB类偏置状态的有限情况。 在AB类状态下，设置偏置是使晶体管导通具有稍微重叠的区域。这样可以最大限度地减小交越失真的问题——交越失真是一种晶体管导通所需非零压降导致的性能下降。
C类放大器用作威廉希尔官方网站 中的峰值放大器。在C类放大器被偏置的条件下，只有当非零输入功率超过预定义的输入阈值时晶体管才会导通。因此C类放大器的效率 很高，但具有高度非线性特性。Doherty放大器的理念是在低功率时使用AB类放大器，在较高功率时C类放大器也提供输出功率。有意义的是，在较高功率 电平时这可以提高PAE。需要注意的是，威廉希尔官方网站 包含两个在工作频率下四分一波长的匹配部分。这两个部分是必要的，因为放大器的输入阻抗一直在变化，在所有功 率电平范围内保持整个威廉希尔官方网站 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体管实现的。图2显示了 Doherty放大器威廉希尔官方网站 的高层次概念原理图和版图。从图中可以清楚地看到典型Doherty放大器的各个部分。举例来说，版图显示了AB类（图2上面） 和C类（图2下面）放大器。在预期的工作点馈线相差90度。
图2：左图是Doherty放大器的顶层原理图，右图是两个放大器的版图。
上述Doherty放大器是在Microwave Office软件的辅助下设计的，使用了针对这类威廉希尔官方网站 的标准设计方法。这里运用了拉负载仿真来确定实际的输入输出负载——这是确定阻抗匹配网络的第一步。图3显示了一个典型的拉负载曲线图。
图3：这些拉负载仿真结果展示了恒定输出功率曲线（蓝色曲线）和PAE曲线（紫色曲线）。红色圆圈代表最大输出功率时的负载点；绿色方框代表最大功效时的负载点。
蓝色曲线是在输出负载变化时恒定输出功率曲线。紫色曲线绘出了给定输出负载条件下的PAE。当（归一化）负载位于红色圆圈时达到最大输出功率。当负载位于绿色方框时达到最大PAE。幸运的是，方框和圆圈位于基本相同的负载处，从2Ω到2.5Ω。输出匹配网络如图4所示。
图4：输出匹配网络最初是使用传输线模型设计的，如左边的原理图所示。生成的版图使用AWR公司的平面电磁仿真器AXIEM进行了仿真。
最初的Doherty放大器设计是用标准传输线模型创建的。然而，这些模型不足以提供低阻抗匹配网络所需的极端长宽比指标。由于线路变得非常宽，模型精度会降低。因此版图的仿真采用了非常适合平面版图的平面电磁仿真器AXIEM。
图4的右半部分显示了网格状的电磁版图。这个版图经过了颜色编码处理，以便显示各种形状的直流连接特性。需要着重指出的是，没有必要将放大器版图手动输出到 电磁放大器，而是可以使用AWR公司的电磁提取技术轻松地将威廉希尔官方网站 版图的目标部分发送到电磁仿真中，端口可以在那里自动添加。仿真得到的S参数结果用在了放 大器原理图中而不是模型中，因此可以得到更精确的解决方案。
接着用AWR公司的谐波平衡仿真技术进行威廉希尔官方网站 建模。图5显示了晶体管的直流偏置线以及组成Doherty放大器的AB类和C类放大器的动态负载线。紫色曲线是AB类放大器的动态负载线，而绿色曲线是C类放大器的负载线。
图5：上面是Doherty放大器的晶体管在不同电压（a，b，c）时的偏置线和动态负载线。紫色曲线是AB类放大器的，绿色曲线是C类放大器的。随着输入功率增加，C类放大器开始导通。
从 图中可以看到，输入功率从+26dBm增加到+40dBm；C类放大器导通，促使输出电平增加。（注意：负载线包括封装寄生效应，这正是有负电压与电流值 的原因。）图6显示了完整放大器的输出功率（蓝色曲线和左轴）和PAE（紫色曲线和右轴）。效率增加到约56%，这要比单独使用AB类放大器或C类放大器 高出约7%。
图6：这些曲线显示了Doherty放大器的输出功率（蓝色曲线和左轴）和PAE（紫色曲线和右轴）。
通 过校正系统中的各种非线性和失配还可以进一步提高放大器的性能。有几种方法可以做到这一点。本文介绍的方法对于使用数字预失真的现代移动编码方案特别管 用。这种技术可以增加放大器线性工作的范围，从而减小失真。该分析使用了AWR公司的Visual System Simulator（VSS）软件。
随着功放设计师追求高效率和低相邻通道功率比（ACPR），使用数字预失真（DPD）改善线性度正变得越来越流行。为了演示Doherty放大器的设计，本文将讨论利用AWR公司的Microwave Office威廉希尔官方网站 设计软件完成的典型设计。设计的关键是如何正确地解决晶体管中的各种非线性问题。
这种放大器的设计和构建基础是恩智浦公司的晶体管技术。放大器的工作点和最优负载将用标准的拉负载技术确定。电磁（EM）仿真将 用于建模放大器版图的关键部分，其中，低阻抗输出匹配部分带宽非常宽，封闭式模型可能并不准确。需要特别指出的是，输出部分将用AWR公司的平面电磁仿真 器AXIEM进行仿真。虽然用于建模Doherty放大器的主要威廉希尔官方网站 仿真器是谐波平衡软件，但本文还是会讨论到许多其他的仿真选择（包括威廉希尔官方网站 包络仿真的使用）。
Doherty放大器可以为功率很重要的应用提供很高的功率附加效率（PAE），比如蜂窝基站应 用。Doherty放大器最早是贝尔电话实验室的William H.Doherty于1936年发明的。这么多年来设计的细节已经发生了改变——包括其从真空管到作为有源器件的晶体管的演进——但基本概念一直没变。近年来Doherty放大器变得越来越流行，因为它们能够处理较大的峰均比信号，而这一点是无线应用中的典型要求。
图1显示了常见的Doherty放大器拓扑结构，其中的关键是两个并联的放大器。上面的放大器偏置在AB类状态下，而下面的放大器工作在C类。AB类放大器是设计作为线性放大器工作的，因此具有非常低的失真。遗憾的是，它的效率不高，理论上最大效率约为78.5%。
图1：这张简单的框图展示了Doherty放大器的拓扑结构。并联使用AB类和C类放大器可以提高功效
。
注意，AB类放大器的效率要高于A类放大器，因为两个晶体管是并联使用的，并且偏置使得每个放大器导通50%的时间。B类偏置是AB类偏置状态的有限情况。 在AB类状态下，设置偏置是使晶体管导通具有稍微重叠的区域。这样可以最大限度地减小交越失真的问题——交越失真是一种晶体管导通所需非零压降导致的性能下降。
C类放大器用作威廉希尔官方网站 中的峰值放大器。在C类放大器被偏置的条件下，只有当非零输入功率超过预定义的输入阈值时晶体管才会导通。因此C类放大器的效率 很高，但具有高度非线性特性。Doherty放大器的理念是在低功率时使用AB类放大器，在较高功率时C类放大器也提供输出功率。有意义的是，在较高功率 电平时这可以提高PAE。需要注意的是，威廉希尔官方网站 包含两个在工作频率下四分一波长的匹配部分。这两个部分是必要的，因为放大器的输入阻抗一直在变化，在所有功 率电平范围内保持整个威廉希尔官方网站 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体管实现的。图2显示了 Doherty放大器威廉希尔官方网站 的高层次概念原理图和版图。从图中可以清楚地看到典型Doherty放大器的各个部分。举例来说，版图显示了AB类（图2上面） 和C类（图2下面）放大器。在预期的工作点馈线相差90度。
图2：左图是Doherty放大器的顶层原理图，右图是两个放大器的版图。
上述Doherty放大器是在Microwave Office软件的辅助下设计的，使用了针对这类威廉希尔官方网站 的标准设计方法。这里运用了拉负载仿真来确定实际的输入输出负载——这是确定阻抗匹配网络的第一步。图3显示了一个典型的拉负载曲线图。
图3：这些拉负载仿真结果展示了恒定输出功率曲线（蓝色曲线）和PAE曲线（紫色曲线）。红色圆圈代表最大输出功率时的负载点；绿色方框代表最大功效时的负载点。
蓝色曲线是在输出负载变化时恒定输出功率曲线。紫色曲线绘出了给定输出负载条件下的PAE。当（归一化）负载位于红色圆圈时达到最大输出功率。当负载位于绿色方框时达到最大PAE。幸运的是，方框和圆圈位于基本相同的负载处，从2Ω到2.5Ω。输出匹配网络如图4所示。
图4：输出匹配网络最初是使用传输线模型设计的，如左边的原理图所示。生成的版图使用AWR公司的平面电磁仿真器AXIEM进行了仿真。
最初的Doherty放大器设计是用标准传输线模型创建的。然而，这些模型不足以提供低阻抗匹配网络所需的极端长宽比指标。由于线路变得非常宽，模型精度会降低。因此版图的仿真采用了非常适合平面版图的平面电磁仿真器AXIEM。
图4的右半部分显示了网格状的电磁版图。这个版图经过了颜色编码处理，以便显示各种形状的直流连接特性。需要着重指出的是，没有必要将放大器版图手动输出到 电磁放大器，而是可以使用AWR公司的电磁提取技术轻松地将威廉希尔官方网站 版图的目标部分发送到电磁仿真中，端口可以在那里自动添加。仿真得到的S参数结果用在了放 大器原理图中而不是模型中，因此可以得到更精确的解决方案。
接着用AWR公司的谐波平衡仿真技术进行威廉希尔官方网站 建模。图5显示了晶体管的直流偏置线以及组成Doherty放大器的AB类和C类放大器的动态负载线。紫色曲线是AB类放大器的动态负载线，而绿色曲线是C类放大器的负载线。
图5：上面是Doherty放大器的晶体管在不同电压（a，b，c）时的偏置线和动态负载线。紫色曲线是AB类放大器的，绿色曲线是C类放大器的。随着输入功率增加，C类放大器开始导通。
从 图中可以看到，输入功率从+26dBm增加到+40dBm；C类放大器导通，促使输出电平增加。（注意：负载线包括封装寄生效应，这正是有负电压与电流值 的原因。）图6显示了完整放大器的输出功率（蓝色曲线和左轴）和PAE（紫色曲线和右轴）。效率增加到约56%，这要比单独使用AB类放大器或C类放大器 高出约7%。
图6：这些曲线显示了Doherty放大器的输出功率（蓝色曲线和左轴）和PAE（紫色曲线和右轴）。
通 过校正系统中的各种非线性和失配还可以进一步提高放大器的性能。有几种方法可以做到这一点。本文介绍的方法对于使用数字预失真的现代移动编码方案特别管 用。这种技术可以增加放大器线性工作的范围，从而减小失真。该分析使用了AWR公司的Visual System Simulator（VSS）软件。
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