一種改進(jìn)型的Doherty功率放大器仿真研究

劉旭飛 劉金亭 李星沛

【摘要】? ? 為解決傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器的載波功率放大器和峰值功率放大器適配的負(fù)載能力達(dá)不到理論設(shè)計(jì)值，將會(huì)嚴(yán)重影響整體通信電路的工作性能，為此，本文提出了一種新的功放設(shè)計(jì)方案即非對(duì)稱(chēng)Doherty功放結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的放大器利用具有更高飽和功率的次功放能夠?qū)崿F(xiàn)8dB的功率回退，并在ADS2016電路仿真平臺(tái)中驗(yàn)證了該結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】? ? 放大器? ? 仿真? ? 功率

一、對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器的不足

伴隨集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，工程中使用的早期Doherty功率放大器呈現(xiàn)以下弊端：

1.早期的具備對(duì)稱(chēng)特性的Doherty功率放大器[1]具有相同的信號(hào)輸入功率，該種類(lèi)型的功放擁有相同參數(shù)的晶體管，但是，兩種型號(hào)的晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)各異，因此，導(dǎo)致主功率放大器晶體管的信號(hào)輸出電流值大于次晶體管功放的信號(hào)輸出電流值。所以，當(dāng)主晶體管輸出信號(hào)功率達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，將引起載波功率放大器和峰值功率放大器的適配的負(fù)載能力達(dá)不到理論設(shè)計(jì)值[2]。主晶體管與次晶體管功率放大器的負(fù)載能力無(wú)法接近理論設(shè)計(jì)值，這會(huì)引起工作電路出現(xiàn)信號(hào)失配問(wèn)題，功率放大器電路的指標(biāo)參數(shù)將嚴(yán)重惡化。

2.早期設(shè)計(jì)的Doherty功放當(dāng)信號(hào)功率值回退6dB時(shí)功放輸出效率最佳，伴隨人們對(duì)通信業(yè)務(wù)的更高要求，現(xiàn)代通信技術(shù)呈現(xiàn)高速發(fā)展的特點(diǎn)，OFDM，正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）、M-QAM（Multiple Quadrature Amplitude Modulation），多進(jìn)制正交幅度調(diào)制等技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)致已調(diào)信號(hào)的峰值功率與平均功率的比值升高[3]。6dB大小的信號(hào)功率值回退目前不能滿(mǎn)足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求，如果仍然使用早期的Doherty功率放大器會(huì)導(dǎo)致功放工作效率的降低。因此，本文提出了一種改進(jìn)型的功率放大器即非對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器結(jié)構(gòu)，非對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器利用具有更高飽和功率的次功放實(shí)現(xiàn)更大信號(hào)功率回退的目的。

二、非對(duì)稱(chēng)Doherty功放設(shè)計(jì)方案

非對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器的設(shè)計(jì)方案是以早期的對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器為依據(jù)，針對(duì)功率放大器的特定問(wèn)題比如：信號(hào)功率值回退能力[4]、優(yōu)化功率放大器功率回退區(qū)域范圍。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題本文提出以下幾種非對(duì)稱(chēng)Doherty的方案：

2.1 不同功率輸出的功放管結(jié)構(gòu)方案

采用不同晶體管結(jié)構(gòu)的Doherty功放結(jié)構(gòu)可以有效提高功率回退的動(dòng)態(tài)范圍，在高回退的信號(hào)輸入下仍具有較高的效率。峰值功率放大器使用的晶體管具備比載波功率放大器更高的信號(hào)輸出功率，在該條件下，峰值功率放大器能夠較好的避免有源負(fù)載出現(xiàn)的牽引能力無(wú)法匹配的問(wèn)題[5]，Doherty功放的功率回退點(diǎn)計(jì)算公式如式1所示：

在公式1中，符號(hào)ρ代表Doherty功放的信號(hào)功率回退量，工程中常使用dB作為計(jì)算單位，α代表Doherty主功率放大器輸出信號(hào)的功率值與功放全部信號(hào)輸出的功率值的比，Pcarrier表示載波功率值，Ppeak表示峰值功率值。載波功率放大器和峰值功率放大器的輸出信號(hào)功率值相等，因此，早期設(shè)計(jì)的Doherty功放只有6dB的功率回退能力。如何選擇適中的功率放大器晶體管[6]可以根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的需要，同時(shí)能夠確定所需要的功率回退區(qū)間。

早期Doherty功放與本文設(shè)計(jì)的非對(duì)稱(chēng)Doherty功放的回退能力比較圖，從圖中可以看出，非對(duì)稱(chēng)Doherty功放具有8dB的功放回退能力，而早期的Doherty功放只有6dB的回退范圍。

因此，本文提出的非對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器的輸出信號(hào)功率回退能力更高，能夠解決現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中的高效數(shù)字調(diào)制信號(hào)峰均比過(guò)高的問(wèn)題。

2.2非等輸入功率驅(qū)動(dòng)方案

用符號(hào)βc表示載波功率放大器的導(dǎo)通角，符號(hào)βp表示峰值功率放大器的導(dǎo)通角，符號(hào)I載和符號(hào)I峰代表載波功率放大器和峰值功率放大器的最大一次諧波電流，具體計(jì)算如公式2和3所示：

由于主功率放大器與次功率放大器的工作性能不一樣，所以，在主功率放大器信號(hào)輸出功率達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，次功率放大器信號(hào)輸出功率值并未達(dá)到飽和狀態(tài)，用符號(hào)γ表示該狀態(tài)下主功率放大器與次功率放大器的電流比值，表達(dá)式如式4所示：

式4中，J表示峰值功率發(fā)達(dá)器工作時(shí)，峰值晶體管與載波晶體管功放的漏極電壓的比值，式I峰·（1- J）表示的電流為載波功率放大器狀態(tài)飽時(shí)，峰值功率放大器輸出信號(hào)的電流大小。公式5表示載波功率放大器與峰值功率放大器信號(hào)輸出功率的比值：

在式5中，P欠表示峰值功率放大器的欠驅(qū)動(dòng)功率大小，借助P欠值的大小能夠預(yù)測(cè)主、次功率放大器的欠匹配程度。在得出峰值功率放大器補(bǔ)償輸入電流的大小之前，先獲取載波功率放大器和峰值功率放大器的信號(hào)輸出電流比值，依據(jù)公式5就能夠計(jì)算出功放補(bǔ)償電流值。接下來(lái)在ADS2008電路仿真環(huán)境下對(duì)比研究本文提出的非對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器相對(duì)于早期的Doherty功率放大器的優(yōu)勢(shì)。

三、基于ADS仿真平臺(tái)的功放設(shè)計(jì)方案仿真分析

仿真過(guò)程中取α=1.17，根據(jù)公式2.5可以計(jì)算出峰值功率放大器的欠驅(qū)動(dòng)功率值P欠=7.35dB，仿真時(shí)J=0.5，峰值功率放大器需補(bǔ)償7.35dB的輸入功率值才能解決功放失配的問(wèn)題。仿真圖1是等分輸入功率與信號(hào)非等分輸入功率驅(qū)動(dòng)下主功率放大器和次功率放大器信號(hào)輸出電流的對(duì)比結(jié)果。主功率放大器和次功率放大器的輸出信號(hào)電流值相同，原因是它們采用的晶體管類(lèi)型相同，在一樣的輸入信號(hào)功率值的驅(qū)動(dòng)下，載波功率放大器的輸出電流值是次功率放大器的2倍。非均分信號(hào)輸入功率的不同之處在于，其在已有等分功率值的基礎(chǔ)上，能夠補(bǔ)償峰值功率放大器7.35dB的功率大小。相較于均勻功率驅(qū)動(dòng)的模式，非等分結(jié)構(gòu)的次功率放大器輸出電流與載波功率放大器一致。所以在該前提下，對(duì)載波及峰值功率放大器的信號(hào)輸出進(jìn)行匹配，能夠獲取最佳的匹配狀態(tài)。

載波功率放大器的信號(hào)輸出電流的表達(dá)式：

峰值功率放大器的信號(hào)輸出電流為：

公式7和8中的Ip，even、Ip，uneven分別表示相等輸入功率與非等輸入功率情況下次功率放大器的信號(hào)輸出電流值，Vinm表示最大輸入電壓信號(hào)。

前面已經(jīng)闡述早期的對(duì)稱(chēng)Doherty功率放大器存在主功率放大器與次功率放大器負(fù)載無(wú)法匹配的問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)降低整個(gè)功放電路的工作性能。如果使用本文提出的非對(duì)稱(chēng)Doherty功放，能夠通過(guò)控制輸入信號(hào)的功率大小從而解決主次功放功率失配的問(wèn)題，非均勻輸入信號(hào)功率激勵(lì)下的載波功率放大器與信號(hào)輸出負(fù)載對(duì)比如下。

仿真結(jié)果表明：在非等分功率主功率放大器與次功率放大器的電流比值γ=2.4激勵(lì)下，載波功率放大器與峰值功率放大器能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載一致，所以能夠達(dá)到阻抗匹配狀態(tài)。

負(fù)載阻抗特性曲線(xiàn)的變化特征可由下列公式得到。

在式9和式10中ZM、ZL分別表示1/4波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)的特征阻抗與負(fù)載阻抗，經(jīng)仿真研究分析載波功率放大器與峰值功率放大器飽和輸出信號(hào)的負(fù)載理想情況下是一樣的。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱(chēng)Doherty功放結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)8dB的功率回退，并通過(guò)ADS2016電路仿真平臺(tái)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方案的可行性，為現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的射頻前端應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的仿真實(shí)踐基礎(chǔ)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] J. Fritzin， Y. Jung， P. Landin， P. H?ndel， M. Enqvist， and A. Alvandpour， “Phase predistortion of a class-D outphasing RF amplifier in 90 nm CMOS，” IEEE Trans. Circuits Syst. II： Express Briefs， vol. 58， no. 10， pp. 642–646， Oct. 2011.

[2] Dixian Zhao， Patrick Reynaert： A 60-GHz Dual-Mode Class AB Power Amplifier in 40-nm CMOS. IEEE J. Solid-State Circuits， vol. 48， no. 10， pp. 2323–2337， Oct. 2013.