IC基板 - 確立したDoherty電力増幅器の最適化

ドハーティ電力増幅器（PA）は、100年近く前に発明され、多数の無線送信機におけるエネルギー効率を改善するために使用され、このような電力増幅器を作るための多くの方法がある。まず，線形化と効率化を概説し，関連する課題を強調し，背景に基づいた多くの解決策のいくつかを述べた。最後に、ケーススタディは、代替設計プロセスを説明するために使用され、設計の詳細な議論とどのようにパフォーマンスとコストの間の最良の妥協を達成するために。

線形化技術
The four main technical performance parameters in the transmit (Tx) radio frequency front end (RFFE) are efficiency, 出力電力, 線形性と帯域幅. 最後の三つのパラメータは通常システム要件に依存する, 通信規格など. The first parameter (ie energy efficiency) is the distinguishing factor. 他のすべてのパフォーマンスパラメータが同じ場合, より高いフロントエンド効率はよりよい.

RFFFで使用されるデバイスは、非線形特性を有し、理想的なモジュールとして直接使用することはできない。線形化技術により，tx‐rffeの直線性を改善できる。これは通常TX RFFEの原価を増加させます、そして、あなたが得るものは効率、線形性と出力パワーで改善です。多くの線形性改善方法が少なくともフィードフォワード1及びフィードバック2特許に公開されている。非線形プリディストーションの適用の日付は圧縮と拡張技術3の発明の日付と類似していると考えられる。これらのプログラムは、どのように動作するかに応じて分類することができる（図1および表1参照）。線形化技術の識別基準の一つは、スキームが無駄な信号を予測したり抽出したりするかどうか、出力の前か後に訂正を実行するかどうかです。分類は一般的な特性を理解し，最良の適用方法を識別するのに有用である。

フィードフォワードは、測定後の補正スキームの例であり、フィードバックは測定前補正方式であり、プリディストーションは予測前補正スキームである。予測解は、より広い周波数帯域と低い電力を有するシステムにおけるデジタルプリディストーション（DPD）にとって非常に面倒である不要信号の生成に依存する。一方、予測解は歪みを必要とせず、歪みを完全に除去することができる。

これらの例から欠落しているのは、予測後補正を使用する線形化技術の全カテゴリである。過去100年で、人々はこのテクノロジーシリーズの詳細な研究と記録を行いました。これらの技術の例として、Choi 8、Andersson 9、Chung 10によって導入された5、エンベロープ6、およびDoherty 7の送信機およびハイブリッド送信機のアウトフェイジング5が、これらの技術は、主に線形化技術としてではなく効率を改善するために使用される。市場開発.エンベロープおよび位相外位相スキームの純粋な形態は、効率的に生成される非線形構成要素からの信号を構築するために、それぞれ増幅および経路総和を使用する。ドハーティ増幅器は、「メインパス」または「キャリア」と呼ばれる基準経路と、「ピーク経路」または「二次経路」と呼ばれる効率パスとを含む。Dohertyデザインのより包括的な数学的分析は、この記事の範囲を超えており、多くのドキュメントで利用可能です。詳細については、読者は特にlipps記事11を参照することができます。

DOHERTY implementation
It can be considered that the most common and usually the fastest starting point for Doherty amplifier design is the "zeroth embodiment" (see Figure 2), を含む

*最終RFスプリッタへのRF入力固定。

*主増幅器及び補助増幅器は、バイアス（例えば、AB級及びC級）を用いる。

＊Dohertyシンセサイザは、1／4波長伝送線路で構成される。

ほとんどのアプリケーションでは、このアーキテクチャは、十分な電力利得を提供しない（少なくとも1つの最終段からではない）、そして、追加の利得段が、パワースプリッタの前でカスケード接続される。この最も一般的な実装の欠点は以下の通りです。

*デザインが凍結された後、任意の領域で利得と位相を補償する方法はありません。

*バイアスステージのため、効率と出力パワーのトレードオフがある。実際にはこのタスクを達成するためのCレベルバイアス（オープンループアナログ回路）である。

* The efficiency improvement is limited to a single level. 多段階カスケードの状況は性能改善を制限する, 特にゲインは、より高い周波数で減少される.
別の観点から, Dohertyエンジンは、トランジスタのバイアス点から派生したいくつかの重要な機能的メカニズムを有する開ループ解である. Once other variables (such as phase offset, スプリッタ設計, etc.) are defined, 様々なキー調整が依存している1つまたは2つのオペレーションポイントだけが提供されます.

チャレンジ

dohertyの効率を改善する方法の一つは負荷変調である。この変調の後の駆動エンジンは、シンセサイザに2つ以上の増幅器からの出力電流間の差である。エンジンはDoherty操作を近似することができるので、設計者はエンジンを最良の方法でこの操作に接近させるが、適切な価格／性能比を有している。doherty性能への潜在的障害は，1）マージノード，特に過周波数に入る信号の振幅と位相整合（図3 a参照）。理想値からのずれは、効率と出力電力を減らします。デバイスが故意に分離されないので、後者はより破壊的であるかもしれません、そして、効率の増加はシンセサイザで達成されたインタラクションに依存します。理想的には、ドハーティエンジンの補助経路は、ポリライン又はホッケースティック特性を示す（図3 B参照）。理想的な値に達することは、よく知られている効率サドルポイントを達成しない主な理由である。この特性は理想的な値から線形応答に変化する傾向があるので、ドハーティ増幅器の動作は、（直交していないシンセサイザではあるが）特に効率的な直交平衡増幅器の動作と徐々になる。3）クラスAB及びクラスCの主増幅器及び補助増幅器の一般的に使用される「差動バイアス」は、2つの増幅器の出力電力及び効率を低下させる（図3 C参照）。CLUPS 11によって説明されるように、クラスAのクラスC準線形増幅器への連続性（理論的にこれらの2つのステージは、それらのソースを横切って正弦波電圧を介して動作する）は、対応する最大出力電力および効率特性を変更する。同時に、バイアスが差動エンジンを生成するために使用される場合（従来のDoherty実装の場合と同様に）、出力電力と効率との間にトレードオフがある。同時に、差動バイアスはdoherty効果を増加させるが、達成可能な性能を低下させる。

ドハーティ増幅器の課題：シンセサイザ振幅と位相整合（A）、補助増幅器電流応答（B）、および電力効率トレードオフ（C）。

Variations and improvements
The following variations of the basic design may be more suitable for certain applications. 伝統的な実装では, それは、パフォーマンスと柔軟性オプションでデザイナーを提供します.

@ dohertyスプリッタとシンセサイザに複数のゲインステージがあります

エヌロードドハーティ

故意分散セパレータ

プログラマブルセパレータ

バイアス変調

パワー変調、すなわち、Dohertyによって使用される2周波数強調技術に第3の周波数向上技術を追加する

エンベロープシェーピング

デジタルドハーティ

デザイナーに利用可能な別のアーキテクチャに加えて、調整はまた、製品のライフサイクルの3点で行うことができます。設計段階では、設計パラメータを修正し、生産プロセスに固定値（例えば入力セパレータ設計パラメータ）として渡すことができる。生産プロセスでは、通常、測定されたデータに基づいてパラメータを変更または調整することができます。一例は、デバイス内の目標バイアス電流を生成するために使用される公称バイアス電圧である。装置がフィールドに配置されたあと、パラメータは連続的にまたはオープンループまたは閉ループ方法の特定の時間にアップデートされることができる。閉ループ解決は完全に予測可能な特性に依存します、一方、閉ループ解決はビルトイン測定と支配を必要とするかもしれません。一例は温度補償回路である。これらの製品ライフサイクルオプションは、「最高」でない複数の解決を提供します。デザイナーは、デザインに続く生産と供給能力がデザイン段階の間に遭遇するデザイン挑戦とトレードオフと同じくらい重要であるということを知っています。

ゼロレベル実装の反対はデジタルDoherty（図4参照）です。このアーキテクチャの特徴は，ディジタル‐アナログ変換の前にディジタル領域における入力分離を行うことである。デジタル信号処理を2つの増幅器経路に適用される信号に適用する能力によって、RFハードウェアのセットから耐え難い性能を得ることができる。標準的なDoherty実装と比較して、予測前補正線形12を減少させることなく、デジタル実装の出力電力を60 %、20 %の効率および50 %帯域幅で増加させることができる。

測定 支援設計プロセス
最適化するために ドハーティデザイン, これは、トレンドと感度を理解するために設計によく関連するシミュレーション環境を構築することをお勧めします. この種のシミュレーションで, 開発プロセスの大部分はすぐにカバーすることができます. 第1のステップの入力は、デバイスのロードプルデータまたはモデルを含むことができる, 結合回路の理論的研究と整合ネットワークの応答, そして、測定データまたは他の経験的データを含む評価ボード. この出発点に基づきます, the design process can be supplemented with measurement aided design (see Figure 5).
デジタルドハーティ, このアプローチの出発点は2つの入力ポートを含むDoherty増幅器である, 入出力マッチングネットワーク, アクティブデバイス, バイアスネットワーク, and combiners (see Figure 6). デュアル入力装置のプロトタイプDohertyを測定することによって, パフォーマンスの制限の深い理解を得ることが可能です, トレードオフ, 生産環境に期待される再現性. テスト構成にとって重要な2つの信号パス, 信号は互いに変化するかもしれない. 正確な適用に加えて, これらの信号に対する安定で反復可能な振幅及び位相オフセット, また、信号経路のうちの少なくとも1つに非線形成形を適用することができることも非常に有益である.