Doherty功放工作原理

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： 00010p m p m p V jZ V V j I jI Z R ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥−⎢⎥+⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦0p m V jZ I =00()m m p Z V Z I I R =− 02m m pZ 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()p sat p m sat p satI i I I i I i γ<=−> 对于本文提到的经典电路，2γ=。

20opt 2000opt 22()m p sat m m sat p satZ I I i R V Z Z I Z i I i 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0opt Z R R 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，0p I =，呈现开路状态，因此20opt2m m Z V I R = Main Amplifier 等效负载为20opt opt22l 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。

总结：从Doherty功放的基本原理出发，我觉得它能够在较大范围内保持高效率的关键可以总结为以下几点：1.小信号提前饱和效应利用功放工作点越靠近饱和点，功放效率越高的特点，小信号时，Auxiliary Amplifier截止，Main Amplifier负载为2Ropt，Main Amplifier提前预饱和，效率提高；2.Auxiliary Amplifier的牵制作用为了保持Main Amplifier的高效率而不使其进入饱和状态，Doherty功放利用Auxiliary Amplifier的推挽作用，牵制住MainAmplifier的输出电压不变（理想情况），而其输出电流随输入电平变大，其等效负载减小2Ropt—Ropt，实现高功率输出，也称作“负载调制”.3．Main Amplifier的状态转变Main Amplifier在小信号阶段应该处于最大效率匹配状态，大信号时处于最大输出匹配状态，中等信号阶段Main Amplifier处于由最大效率状态到最大输出状态的过渡状态，既能保证较高的效率又能兼顾功放线性，所以通常工程中都会让Doherty功放工作于中等信号强度。

4．Doherty功放的工程模型以及演变前面从原理的层面对Doherty功放进行了分析，但是实际工程中从调试的角度以及小型化考虑，在构架上有些变化，下面的内容将逐一介绍。

1）传统的Doherty功放工程模型从上图得知工程模型比原理模型在输入和输出端增加了offset线，其目的有3个：其一，调整offset4的长度，可以微调Main Amplifier 的负载阻抗，以达到高效率和高线性的目的；其二，调整offset3的长度可以保证小信号下Auxiliary Amplifier的开路效果，通常阻抗为300欧姆；offset1和offset2用于调整两路的相位差，由于Main Amplifier 和Auxiliary Amplifier工作点上有差别，必然相位上存在差异，因此需要微调，另外其长度也能调整功放的中心频率。

下图为Freescale 设计的MRF21045的Doherty功放，在其layout 中可以清楚地看到可以调整线长的机构，已经用红色线条标出。

2）Doherty功放的小型化传统的Doherty功放由于引入了几段1/4波长线，尺寸相对很大，不能满足小型化的需求，因此急需缩小其layout尺寸，大致方法有几种方法：反型结构、负载阻抗变小或者增大、3dB桥代替输出端两个1/4波长线等，下面分别介绍：A）反型Doherty功放反型结构是相对传统结构而言，简单的说就是Main Amplifier和Auxiliary Amplifier的位置进行互换，如下图，但是输出端的offset 线可以相对变短，因为Auxiliary Amplifier后面的1/4波长线可以代替offset3实现其小信号的开路效果，因此尺寸可以减小。

同时需要注意的是反型结构Main Amplifier的负载是由25欧姆到50欧姆的变化过程，大家可能不易理解，传统型的是由大负载获得高效率，而反型的却用小负载获得，其实都无所谓只要能够实现负载调制和效率提高即可。

LPA-S1线性功放中主功放就是采用的这种方式，即MRF21180的反型Doherty 结构。

B）增加或者减小负载阻抗●传统结构、减小负载阻抗通常功放都是以50欧姆负载进行匹配设计的，而功放的阻抗一般只有几欧姆，因此匹配电路的尺寸较大，匹配电路也比较复杂，为了减小电路尺寸并且降低匹配设计难度，可以将负载阻抗降低，比如说25欧姆，那么其框图如下Freescale 设计了MRF6S21190的Doherty 功放，其版图如下此功放的匹配电路就是以25欧姆为负载进行设计的，这样在相当程度上减小了功放尺寸，支持了功放小型化的需求，可以提倡，不过由于是以25欧姆进行匹配的，所以在调试单路功放时需要50欧姆到25欧姆转换的工装，相对较为麻烦，这也是其缺点。

● 反型结构、增大负载阻抗前面已经谈到反型结构在一定程度上已经减小了功放尺寸，再加上增加负载阻抗，能进一步减小尺寸，其原理框图如下100ohm@Pomax100ohm@Pomax50ohm@0.25Pomax BTI设计的MRF6S21140 Doherty功放即是此类，图片如下此种结构，传统结构上的1/4波长线已经被去掉，因为它是以100欧姆负载进行的匹配设计，因此输出端合路后的负载为50欧姆，与整个单元的负载相同，节省了1/4波长线的长度，尺寸进一步缩小。