仿真采用數字預失真的Doherty放大器

Doherty放大器可 以在很寬的動(dòng)態(tài)范圍內輸出功率，并且具有很高的效率和卓越的線(xiàn)性度。Doherty放大器由載波放大器和峰值放大器組成，兩者通過(guò)四分之一波長(cháng)的傳輸線(xiàn)鏈 接在一起。載波放大器通常針對線(xiàn)性工作進(jìn)行偏置(例如A類(lèi)或AB類(lèi)放大器)，而峰值放大器一般針對非線(xiàn)性工作進(jìn)行偏置(例如C類(lèi)放大器)。隨著(zhù)輸入功率的 增加，峰值放大器逐漸導通，從而增強載波放大器輸出的功率。如果設計正確，放大器的總功率將得到提升，而且具有更好的線(xiàn)性性能和效率。

隨著(zhù)功放設計師追求高效率和低相鄰通道功率比(ACPR)，使用數字預失真(DPD)改善線(xiàn)性度正變得越來(lái)越流行。為了演示Doherty放大器的設計，本文將討論利用AWR公司的Microwave Office電路設計軟件完成的典型設計。設計的關(guān)鍵是如何正確地解決晶體管中的各種非線(xiàn)性問(wèn)題。

這種放大器的設計和構建基礎是恩智浦公司的晶體管技術(shù)。放大器的工作點(diǎn)和最優(yōu)負載將用標準的拉負載技術(shù)確定。電磁(EM)仿真將 用于建模放大器版圖的關(guān)鍵部分，其中，低阻抗輸出匹配部分帶寬非常寬，封閉式模型可能并不準確。需要特別指出的是，輸出部分將用AWR公司的平面電磁仿真 器AXIEM進(jìn)行仿真。雖然用于建模Doherty放大器的主要電路仿真器是諧波平衡軟件，但本文還是會(huì )討論到許多其他的仿真選擇（包括電路包絡(luò )仿真的使用）。

Doherty放大器可以為功率很重要的應用提供很高的功率附加效率(PAE)，比如蜂窩基站應 用。Doherty放大器最早是貝爾電話(huà)實(shí)驗室的William H.Doherty于1936年發(fā)明的。這么多年來(lái)設計的細節已經(jīng)發(fā)生了改變——包括其從真空管到作為有源器件的晶體管的演進(jìn)——但基本概念一直沒(méi)變。近年來(lái)Doherty放大器變得越來(lái)越流行，因為它們能夠處理較大的峰均比信號，而這一點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)應用中的典型要求。

圖1顯示了常見(jiàn)的Doherty放大器拓撲結構，其中的關(guān)鍵是兩個(gè)并聯(lián)的放大器。上面的放大器偏置在A(yíng)B類(lèi)狀態(tài)下，而下面的放大器工作在C類(lèi)。AB類(lèi)放大器是設計作為線(xiàn)性放大器工作的，因此具有非常低的失真。遺憾的是，它的效率不高，理論上最大效率約為78.5%。

圖1：這張簡(jiǎn)單的框圖展示了Doherty放大器的拓撲結構。并聯(lián)使用AB類(lèi)和C類(lèi)放大器可以提高功效

。

注意，AB類(lèi)放大器的效率要高于A(yíng)類(lèi)放大器，因為兩個(gè)晶體管是并聯(lián)使用的，并且偏置使得每個(gè)放大器導通50%的時(shí)間。B類(lèi)偏置是AB類(lèi)偏置狀態(tài)的有限情況。 在A(yíng)B類(lèi)狀態(tài)下，設置偏置是使晶體管導通具有稍微重疊的區域。這樣可以最大限度地減小交越失真的問(wèn)題——交越失真是一種晶體管導通所需非零壓降導致的性能下降。

C類(lèi)放大器用作電路中的峰值放大器。在C類(lèi)放大器被偏置的條件下，只有當非零輸入功率超過(guò)預定義的輸入閾值時(shí)晶體管才會(huì )導通。因此C類(lèi)放大器的效率 很高，但具有高度非線(xiàn)性特性。Doherty放大器的理念是在低功率時(shí)使用AB類(lèi)放大器，在較高功率時(shí)C類(lèi)放大器也提供輸出功率。有意義的是，在較高功率 電平時(shí)這可以提高PAE。需要注意的是，電路包含兩個(gè)在工作頻率下四分一波長(cháng)的匹配部分。這兩個(gè)部分是必要的，因為放大器的輸入阻抗一直在變化，在所有功 率電平范圍內保持整個(gè)電路完美匹配非常重要。

本文所描述的Doherty放大器是基于恩智浦公司的晶體管實(shí)現的。圖2顯示了 Doherty放大器電路的高層次概念原理圖和版圖。從圖中可以清楚地看到典型Doherty放大器的各個(gè)部分。舉例來(lái)說(shuō)，版圖顯示了AB類(lèi)(圖2上面) 和C類(lèi)(圖2下面)放大器。在預期的工作點(diǎn)饋線(xiàn)相差90度。

圖2：左圖是Doherty放大器的頂層原理圖，右圖是兩個(gè)放大器的版圖。

上述Doherty放大器是在Microwave Office軟件的輔助下設計的，使用了針對這類(lèi)電路的標準設計方法。這里運用了拉負載仿真來(lái)確定實(shí)際的輸入輸出負載——這是確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的第一步。圖3顯示了一個(gè)典型的拉負載曲線(xiàn)圖。

圖3：這些拉負載仿真結果展示了恒定輸出功率曲線(xiàn)(藍色曲線(xiàn))和PAE曲線(xiàn)(紫色曲線(xiàn))。紅色圓圈代表最大輸出功率時(shí)的負載點(diǎn)；綠色方框代表最大功效時(shí)的負載點(diǎn)。

藍色曲線(xiàn)是在輸出負載變化時(shí)恒定輸出功率曲線(xiàn)。紫色曲線(xiàn)繪出了給定輸出負載條件下的PAE。當(歸一化)負載位于紅色圓圈時(shí)達到最大輸出功率。當負載位于綠色方框時(shí)達到最大PAE。幸運的是，方框和圓圈位于基本相同的負載處，從2Ω到2.5Ω。輸出匹配網(wǎng)絡(luò )如圖4所示。

圖4：輸出匹配網(wǎng)絡(luò )最初是使用傳輸線(xiàn)模型設計的，如左邊的原理圖所示。生成的版圖使用AWR公司的平面電磁仿真器AXIEM進(jìn)行了仿真。

最初的Doherty放大器設計是用標準傳輸線(xiàn)模型創(chuàng )建的。然而，這些模型不足以提供低阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )所需的極端長(cháng)寬比指標。由于線(xiàn)路變得非常寬，模型精度會(huì )降低。因此版圖的仿真采用了非常適合平面版圖的平面電磁仿真器AXIEM。

圖4的右半部分顯示了網(wǎng)格狀的電磁版圖。這個(gè)版圖經(jīng)過(guò)了顏色編碼處理，以便顯示各種形狀的直流連接特性。需要著(zhù)重指出的是，沒(méi)有必要將放大器版圖手動(dòng)輸出到 電磁放大器，而是可以使用AWR公司的電磁提取技術(shù)輕松地將電路版圖的目標部分發(fā)送到電磁仿真中，端口可以在那里自動(dòng)添加。仿真得到的S參數結果用在了放 大器原理圖中而不是模型中，因此可以得到更精確的解決方案。

接著(zhù)用AWR公司的諧波平衡仿真技術(shù)進(jìn)行電路建模。圖5顯示了晶體管的直流偏置線(xiàn)以及組成Doherty放大器的AB類(lèi)和C類(lèi)放大器的動(dòng)態(tài)負載線(xiàn)。紫色曲線(xiàn)是AB類(lèi)放大器的動(dòng)態(tài)負載線(xiàn)，而綠色曲線(xiàn)是C類(lèi)放大器的負載線(xiàn)。

圖5：上面是Doherty放大器的晶體管在不同電壓(a,b,c)時(shí)的偏置線(xiàn)和動(dòng)態(tài)負載線(xiàn)。紫色曲線(xiàn)是AB類(lèi)放大器的，綠色曲線(xiàn)是C類(lèi)放大器的。隨著(zhù)輸入功率增加，C類(lèi)放大器開(kāi)始導通。

從 圖中可以看到，輸入功率從+26dBm增加到+40dBm；C類(lèi)放大器導通，促使輸出電平增加。(注意：負載線(xiàn)包括封裝寄生效應，這正是有負電壓與電流值 的原因。)圖6顯示了完整放大器的輸出功率(藍色曲線(xiàn)和左軸)和PAE(紫色曲線(xiàn)和右軸)。效率增加到約56%，這要比單獨使用AB類(lèi)放大器或C類(lèi)放大器 高出約7%。

圖6：這些曲線(xiàn)顯示了Doherty放大器的輸出功率(藍色曲線(xiàn)和左軸)和PAE(紫色曲線(xiàn)和右軸)。

通 過(guò)校正系統中的各種非線(xiàn)性和失配還可以進(jìn)一步提高放大器的性能。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)。本文介紹的方法對于使用數字預失真的現代移動(dòng)編碼方案特別管 用。這種技術(shù)可以增加放大器線(xiàn)性工作的范圍，從而減小失真。該分析使用了AWR公司的Visual System Simulator(VSS)軟件。

圖7：這是VSS中建模的放大器的校正拓撲。輸入功率用I/Q表格值進(jìn)行校正，然后通過(guò)整合提供校正后的結果。

VSS使用放大器的非線(xiàn)性系統模型來(lái)判斷整個(gè)系統的響應。建模方法是用未校正過(guò)的放大器仿真同相/正交(I/Q)值，然后在VSS仿真器內創(chuàng )建校正 表格，如圖7所示。校正因子針對各種輸入電壓計算出，創(chuàng )建想要的輸出。輸入功率乘以校正過(guò)的I/Q表格值。一旦計算出表格，它們就可以編程進(jìn)放大器的控制 電路。這些表格不需要改變，除非放大器的工作狀態(tài)發(fā)生改變，這時(shí)才需要重新計算。

圖8：這是完整的VSS系統，使用的是完全符合規范的LTE輸入信號。

圖 8顯示了完整的系統級分析，其中使用了完全符合規范的測試信號。在該評估中使用了長(cháng)期演進(jìn)(LTE)蜂窩信號。圖9展示了放大器性能的改善，由頻譜中的三 個(gè)信道表明。校正過(guò)的信號(紅色曲線(xiàn))與未校正系統(藍色曲線(xiàn))相比，減小了本底噪聲。圖10顯示了校正過(guò)的AM-AM和AM-PM曲線(xiàn)。從圖中可以看出 顯著(zhù)的改進(jìn)：校正過(guò)的放大器輸出功率增加了3dB，而且幾乎消除了AM-PM失真。

圖9：Doherty放大器的輸入信道用藍色曲線(xiàn)表示。圖中顯示了未校正(紫色曲線(xiàn))和校正過(guò)(紅色曲線(xiàn))的結果。本底噪聲降低了20dB。

圖10：這些圖顯示了未校正和校正過(guò)的放大器的AM-AM和AM-PM測量結果。相位失真通過(guò)校正改善了30度，而輸出功率增加了3dB。

本例至此使用了諧波平衡建模作為電路仿真方法。不過(guò)AWR公司提供了第二種方法來(lái)仿真電路，即電路包絡(luò )仿真。雖然簡(jiǎn)單高效，但諧波平衡技術(shù)有它自己 的缺點(diǎn)。特別是它不能建模存儲效應，只能仿真穩態(tài)性能。在本例的VSS中執行的系統仿真使用的是基于放大器AM-AM和AM-PM特性的非線(xiàn)性行為模型。 它并沒(méi)有考慮存儲效應或電路級問(wèn)題，比如偏置網(wǎng)絡(luò )中的電流。

另一方面，包絡(luò )仿真是一種電路級仿真方法，仿真時(shí)間要比諧波平衡長(cháng)，但支持仿真存儲效應。圖11顯示了一個(gè)可能結果類(lèi)型的例子(這個(gè)例子中使用了英飛凌制造的功放)。紅色(非線(xiàn)性特性)和綠色(包絡(luò )仿真)曲線(xiàn)有少許差異。頻率的少許偏移是存儲效應的特性。

圖11：這張曲線(xiàn)圖顯示了多載波系統的頻譜。

橙色曲線(xiàn)是經(jīng)過(guò)數字預失真校正過(guò)的放大器，結果表明有明顯的改善。輸入信號用藍色表示，傳統非線(xiàn)性特性模型用紅色表示，包絡(luò )仿真用綠色表示，數字預失真電路 用橙色表示。由于包絡(luò )仿真是一種基于電路的仿真器，它也能顯示電路中各個(gè)點(diǎn)隨時(shí)間改變的電流和電壓。

總之，使用諸如 AWR公司Microwave Office的商用化電路仿真器可以簡(jiǎn)化基于數字預失真的Doherty放大器的設計，特別是當將電磁仿真用作建模過(guò)程的一部分時(shí)。另外，數字預失真網(wǎng)絡(luò ) 是在VSS軟件中創(chuàng )建的，這有助于放大器性能的改善(圖9和圖10)。正如文中提到的那樣，設計這種放大器可以采用許多不同的仿真方法，也就是說(shuō)，不同的 程序針對不同的工作條件和效應，而且仿真時(shí)間也可能不同。