仿真采用数字预失真的Doherty放大器

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电路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放大器的主要电路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（包括电路包络仿真的使用）。

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，电路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电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体管实现的。图2显示了 Doherty放大器电路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，使用了针对这类电路的标准设计方法。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