作者：Mark Saffian，John Dunn
Doherty放大器能够在很宽的动态规模内输出功率，并且具有很高的功率和杰出的线性度。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。载波放大器一般针对线性作业进行偏置（例如A类或AB类放大器），而峰值放大器一般针对非线性作业进行偏置（例如C类放大器）。跟着输入功率的添加，峰值放大器逐步导通，然后增强载波放大器输出的功率。假如规划正确，放大器的总功率将得到进步，并且具有更好的线性功能和功率。
跟着功放规划师寻求高功率和低相邻通道功率比（ACPR），运用数字预失真（DPD）改进线性度正变得越来越盛行。为了演示Doherty放大器的规划，本文将评论运用AWR公司的Microwave Office电路规划软件完结的典型规划。规划的要害是怎么正确地处理晶体管中的各种非线性问题。
这种放大器的规划和构建根底是恩智浦公司的晶体管技能。放大器的作业点和最优负载将用标准的拉负载技能确认。电磁（EM）仿真将用于建模放大器地图的要害部分，其间，低阻抗输出匹配部分带宽十分宽，封闭式模型或许并不准确。需求特别指出的是，输出部分将用AWR公司的平面电磁仿真器AXIEM进行仿真。尽管用于建模Doherty放大器的首要电路仿真器是谐波平衡软件，但本文仍是会评论到许多其他的仿真挑选（包含电路包络仿真的运用）。
Doherty放大器能够为功率很重要的运用供给很高的功率附加功率（PAE），比方蜂窝基站运用。Doherty放大器最早是贝尔电话实验室的William H.Doherty于1936年创造的。这么多年来规划的细节现已产生了改动——包含其从真空管到作为有源器材的晶体管的演进——但根本概念一向没变。近年来Doherty放大器变得越来越盛行，因为它们能够处理较大的峰均比信号，而这一点是无线运用中的典型要求。
图1显现了常见的Doherty放大器拓扑结构，其间的要害是两个并联的放大器。上面的放大器偏置在AB类状况下，而下面的放大器作业在C类。AB类放大器是规划作为线性放大器作业的，因而具有十分低的失真。惋惜的是，它的功率不高，理论上最大功率约为78.5%。
图1：这张简略的框图展现了Doherty放大器的拓扑结构。并联运用AB类和C类放大器能够进步成效。
留意，AB类放大器的功率要高于A类放大器，因为两个晶体管是并联运用的，并且偏置使得每个放大器导通50%的时刻。B类偏置是AB类偏置状况的有限状况。在AB类状况下，设置偏置是使晶体管导通具有略微堆叠的区域。这样能够最大极限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功能下降。
C类放大器用作电路中的峰值放大器。在C类放大器被偏置的条件下，只有当非零输入功率超越预界说的输入阈值时晶体管才会导通。因而C类放大器的功率很高，但具有高度非线性特性。Doherty放大器的理念是在低功率时运用AB类放大器，在较高功率时C类放大器也供给输出功率。有意义的是，在较高功率电平常这能够进步PAE。需求留意的是，电路包含两个在作业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向在改动，在所有功率电平规模内坚持整个电路完美匹配十分重要。
本文所描绘的Doherty放大器是根据恩智浦公司的晶体管完成的。图2显现了Doherty放大器电路的高层次概念原理图和地图。从图中能够清楚地看到典型Doherty放大器的各个部分。举例来说，地图显现了AB类（图2上面）和C类（图2下面）放大器。在预期的作业点馈线相差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地图。
上述Doherty放大器是在Microwave Office软件的辅佐下规划的，运用了针对这类电路的标准规划办法。这儿运用了拉负载仿真来确认实践的输入输出负载——这是确认阻抗匹配网络的第一步。图3显现了一个典型的拉负载曲线图。
图3：这些拉负载仿真成果展现了稳定输出功率曲线（蓝色曲线）和PAE曲线（紫色曲线）。赤色圆圈代表最大输出功率时的负载点；绿色方框代表最大成效时的负载点。
蓝色曲线是在输出负载改动时稳定输出功率曲线。紫色曲线绘出了给定输出负载条件下的PAE。当（归一化）负载坐落赤色圆圈时到达最大输出功率。当负载坐落绿色方框时到达最大PAE。走运的是，方框和圆圈坐落根本相同的负载处，从2Ω到2.5Ω。输出匹配网络如图4所示。
图4：输出匹配网络开端是运用传输线模型规划的，如左面的原理图所示。生成的地图运用AWR公司的平面电磁仿真器AXIEM进行了仿真。
开端的Doherty放大器规划是用标准传输线模型创立的。但是，这些模型不足以供给低阻抗匹配网络所需的极点长宽比方针。因为线路变得十分宽，模型精度会下降。因而地图的仿真选用了十分合适平面地图的平面电磁仿真器AXIEM。
图4的右半部分显现了网格状的电磁地图。这个地图通过了色彩编码处理，以便显现各种形状的直流衔接特性。需求着重指出的是，没有必要将放大器地图手动输出到电磁放大器，而是能够运用AWR公司的电磁提取技能轻松地将电路地图的方针部分发送到电磁仿真中，端口能够在那里主动添加。仿真得到的S参数成果用在了放大器原理图中而不是模型中，因而能够得到更准确的处理方案。
接着用AWR公司的谐波平衡仿真技能进行电路建模。图5显现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。跟着输入功率添加，C类放大器开端导通。
从图中能够看到，输入功率从+26dBm添加到+40dBm；C类放大器导通，促进输出电平添加。（留意：负载线包含封装寄生效应，这正是有负电压与电流值的原因。）图6显现了完好放大器的输出功率（蓝色曲线和左轴）和PAE（紫色曲线和右轴）。功率添加到约56%，这要比独自运用AB类放大器或C类放大器高出约7%。
图6：这些曲线显现了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）。
通过校对体系中的各种非线性和失配还能够进一步进步放大器的功能。有几种办法能够做到这一点。本文介绍的办法关于运用数字预失真的现代移动编码方案特别管用。这种技能能够添加放大器线性作业的规模，然后减小失真。该剖析运用了AWR公司的Visual System Simulator（VSS）软件。
图7：这是VSS中建模的放大器的校对拓扑。输入功率用I/Q表格值进行校对，然后通过整合供给校对后的成果。
VSS运用放大器的非线性体系模型来判别整个体系的呼应。建模办法是用未校对过的放大器仿真同相/正交（I/Q）值，然后在VSS仿真器内创立校对表格，如图7所示。校对因子针对各种输入电压核算出，创立想要的输出。输入功率乘以校对过的I/Q表格值。一旦核算出表格，它们就能够编程进放大器的控制电路。这些表格不需求改动，除非放大器的作业状况产生改动，这时才需求从头核算。
图8：这是完好的VSS体系，运用的是完全符合标准的LTE输入信号。
图8显现了完好的体系级剖析，其间运用了完全符合标准的测验信号。在该评价中运用了长时刻演进（LTE）蜂窝信号。图9展现了放大器功能的改进，由频谱中的三个信道标明。校对过的信号（赤色曲线）与未校对体系（蓝色曲线）比较，减小了本底噪声。图10显现了校对过的AM-AM和AM-PM曲线。从图中能够看出显着的改进：校对过的放大器输出功率添加了3dB，并且简直消除了AM-PM失真。
图9：Doherty放大器的输入信道用蓝色曲线表明。图中显现了未校对（紫色曲线）和校对过（赤色曲线）的成果。本底噪声下降了20dB。
图10：这些图显现了未校对和校对过的放大器的AM-AM和AM-PM丈量成果。相位失真通过校对改进了30度，而输出功率添加了3dB
本例至此运用了谐波平衡建模作为电路仿真办法。不过AWR公司供给了第二种办法来仿真电路，即电路包络仿真。尽管简略高效，但谐波平衡技能有它自己的缺陷。特别是它不能建模存储效应，只能仿真稳态功能。在本例的VSS中履行的体系仿真运用的是根据放大器AM-AM和AM-PM特性的非线性行为模型。它并没有考虑存储效应或电路级问题，比方偏置网络中的电流。
另一方面，包络仿真是一种电路级仿真办法，仿真时刻要比谐波平衡长，但支撑仿真存储效应。图11显现了一个或许成果类型的比如（这个比如中运用了英飞凌制作的功放）。赤色（非线性特性）和绿色（包络仿真）曲线有少量差异。频率的少量偏移是存储效应的特性。
图11：这张曲线图显现了多载波体系的频谱。
橙色曲线是通过数字预失真校对过的放大器，成果标明有显着的改进。输入信号用蓝色表明，传统非线性特性模型用赤色表明，包络仿真用绿色表明，数字预失真电路用橙色表明。因为包络仿真是一种根据电路的仿真器，它也能显现电路中各个点随时刻改动的电流和电压。举例来说，图12显现了在调制信号状况下直流和射频漏极电流。
图12：这些曲线显现了在调制信号条件下放大器的直流和射频漏极电流。
总归，运用比如AWR公司Microwave Office的商用化电路仿真器能够简化根据数字预失真的Doherty放大器的规划，特别是当将电磁仿真用作建模进程的一部分时。别的，数字预失真网络是在VSS软件中创立的，这有助于放大器功能的改进（图9和图10）。正如文中说到的那样，规划这种放大器能够选用许多不同的仿真办法，也就是说，不同的程序针对不同的作业条件和效应，并且仿真时刻也或许不同。
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