集成電路基板 - 優化久負盛名的Doherty功率放大器

近100年前發明的Doherty功率放大器（PA）用於提高大量無線電發射機的能效，製造這種功率放大器的方法有很多種。 本文首先概述了線性化和效率增强，並重點介紹了相關的挑戰和基於背景的許多解決方案中的一些。 最後，通過一個案例研究說明了一種替代設計過程，並深入討論了該設計以及如何在效能和成本之間實現最佳折衷。

線性化科技
The four main technical performance parameters in 這個 transmit (Tx) radio frequency front end (RFFE) are efficiency, 輸出功率，輸出功率, 線性和頻寬. 最後3個參數通常取決於系統要求, 比如通信標準. The first parameter (ie energy efficiency) is the distinguishing factor. 如果所有其他性能參數相同, 前端效率越高越好.

RFFE中使用的器件具有非線性特性，不能直接用作理想模塊。 通過線性化科技，可以提高Tx RFFE的線性度。 這通常會新增Tx RFFE的原始成本，您得到的是效率、線性度和輸出功率方面的改進。 已經發佈了許多線性改善方法，至少可以追溯到前饋1和迴響2專利。 可以認為，非線性預失真的應用日期與壓縮和擴展科技的發明日期相似3。 這些程式可以根據其工作方式進行分類（見圖1和錶1）4。 線性化科技的判別標準之一是：該方案是否預測或選取無用訊號，以及是否在輸出之前或之後進行校正。 分類有助於瞭解一般特徵和確定最佳應用方法。

前饋是量測後校正方案的一個示例，迴響是量測預校正方案，預失真是預測預校正方案。 預測解決方案依賴於產生不需要的訊號，這對於頻帶更寬、功率更低的系統中的數位預失真（DPD）來說非常麻煩。 另一方面，預測解決方案不需要失真，並且可以完全消除失真。

這些示例中缺少的是使用預測後校正的整個線性化科技類別。 在過去的100年裏，人們對這一科技系列進行了深入的研究和記錄。 輸出相位5、包絡6和Doherty 7發射機以及Choi 8、Andersson 9和Chung 10引入的混合發射機是這些科技的示例，但這些科技主要用於提高效率，而不是線性化科技。 市場開發。 最純粹的包絡和异相方案分別使用放大和路徑求和，從有效生成的非線性分量構造訊號。 Doherty放大器包含一條稱為“主路徑”或“載波”的參攷路徑和一條稱為“峰值路徑”或“次級路徑”的效率路徑。 Doherty設計的更全面的數學分析超出了本文的範圍，可以在許多檔案中找到。 有關詳細資訊，讀者可具體參攷Cripps第11條。

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), 包括：

*固定射頻輸入至最終功率分配器。

*主放大器和輔助放大器的偏置不同（例如，使用AB類和C類）。

*多爾蒂合成器由四分之一波長的傳輸線構成。

*在大多數應用中，這種架構無法提供足够的功率增益（至少不能從單個最終級獲得），並且額外的增益級級聯在功率分配器的前面。 這種最常見的實現的缺點包括：

*設計凍結後，無法在任何域中補償增益和相位。

*由於偏置階段，效率和輸出功率之間存在權衡。 實際上是C電平偏置（一種開環類比電路）來完成這項任務。

* The efficiency improvement is limited to a single level. 多級葉栅的情况將限制效能的提高, 尤其是在更高的頻率下，增益會降低.
從另一個角度來看, Doherty引擎是一種開環解決方案，具有從電晶體偏置點衍生的幾個重要功能機制. Once other variables (such as phase offset, 分離器設計, 等.) are defined, 僅提供一個或兩個操作點，這些操作點依賴於各種關鍵調整.

挑戰

Doherty提高效率的方法之一是負載調製。 這種調製背後的驅動引擎是兩個或多個放大器輸入合成器的輸出電流之間的差值。 由於發動機只能近似於Doherty操作，設計師面臨的挑戰是使發動機以盡可能最佳的管道接近此操作，但仍具有適當的性價比。 Doherty效能的潜在障礙包括：1）進入合併節點的訊號的振幅和相位匹配，尤其是過頻（見圖3a）。 偏離理想值會降低效率和輸出功率。 後者可能更具破壞性，因為設備不是故意隔離的，效率的提高取決於通過合成器實現的互動。 2）理想情况下，Doherty發動機的輔助路徑顯示多段線或曲棍球杆特性（見圖3b）。 未能達到理想值通常是未達到眾所周知的效率鞍點的主要原因。 由於該特性傾向於從理想值變為線性響應，囙此Doherty放大器的行為將逐漸類似於正交平衡放大器（儘管使用非隔離合成器），尤其是其效率效能。 3）AB類和C類中常用的主放大器和輔助放大器的“差分偏置”將迫使兩個放大器的輸出功率和效率降低（見圖3c）。 正如Cripps 11所解釋的，A類到C類准線性放大器的連續性（理論上，這兩級將通過其源的正弦電壓工作）將改變相應的最大輸出功率和效率特性。 同時，如果使用偏置來生成差分引擎（如傳統的Doherty實現），則在輸出功率和效率之間存在權衡。 同時，微分偏置會新增Doherty效應，但會降低可實現的效能。

多爾蒂放大器的挑戰：合成器振幅和相位匹配（a）、輔助放大器電流響應（b）和功率效率權衡（c）。

Variations and improvements
The following variations of the basic design may be more suitable for certain applications. 在傳統實施中, 它為設計師提供了效能和靈活性選項.

*多爾蒂分路器和合成器中有多個增益級

*N路Doherty

*有意分散分離器

*可程式設計分離器

*偏壓調製

*功率調製，即在Doherty使用的兩種頻率增强科技的基礎上新增第3種頻率增强科技

*包絡整形

*數位道爾蒂

除了設計師可以使用的不同架構之外，還可以在產品生命週期的3個點進行調整。 在設計階段，可以修改設計參數並將其作為固定值傳遞給生產過程（例如，輸入分離器設計參數）。 在生產過程中，通常可以根據量測數據修改或調整參數，然後通過程式設計凍結或固定參數。 例如，用於在器件中產生目標偏置電流的標稱偏置電壓。 設備部署到現場後，可以以開環或閉環管道連續或在特定時間更新參數。 開環解決方案依賴於完全可預測的特性，而閉環解決方案可能需要內寘的量測和控制。 溫度補償電路就是一個例子。 這些產品生命週期選項提供了多種並非“最佳”的解決方案。 設計師知道，設計之後的生產和供應能力與設計階段遇到的設計挑戰和權衡同樣重要。

零級實現的反面是數位Doherty（見圖4）。 該體系結構的特點是在數模轉換之前在數位域中執行輸入分離。 由於能够對應用於兩個放大器路徑的訊號進行數位信號處理，可以從一組射頻硬體中獲得無與倫比的效能。 與標準Doherty實現相比，數位實現的輸出功率可以提高60%，效率可以提高20%，頻寬可以提高50%，而無需降低預測預校正線性度12。

量測 輔助設計過程
為了優化 Doherty設計, 建議構建與設計密切相關的模擬環境，以瞭解趨勢和敏感性. 通過這種類比, 可以快速覆蓋開發過程的很大一部分. 第一步的輸入可以包括設備的負載拉動數據或模型, 組合電路及匹配網絡響應的理論研究, 以及包含量測數據或其他經驗數據的評估委員會. 基於此出發點, the design process can be supplemented with measurement aided design (see Figure 5).
用於數位Doherty, 這種方法的起點是一個包含兩個輸入埠的Doherty放大器, 輸入輸出匹配網絡, 活動設備, 偏差網絡, and combiners (see Figure 6). 通過量測雙輸入裝置的原型Doherty, 可以更深入地瞭解效能限制, 權衡, 以及生產環境中預期的可重複性. 對測試配寘至關重要的是兩條訊號路徑, 其訊號可能會相互改變. 除了應用精確, 這些訊號的穩定且可重複的振幅和相位偏移, 能够對至少一條訊號路徑應用非線性成形也是非常有益的.