采用數(shù)字預(yù)失真仿真Doherty放大器

Doherty放大器可以在很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出功率，并且具有很高的效率和卓越的線性度。Doherty放大器由載波放大器和峰值放大器組成，兩者通過四分之一波長(zhǎng)的傳輸線鏈接在一起。載波放大器通常針對(duì)線性工作進(jìn)行偏置(例如A類或AB類放大器)，而峰值放大器一般針對(duì)非線性工作進(jìn)行偏置(例如C類放大器)。隨著輸入功率的增加，峰值放大器逐漸導(dǎo)通，從而增強(qiáng)載波放大器輸出的功率。如果設(shè)計(jì)正確，放大器的總功率將得到提升，而且具有更好的線性性能和效率。

隨著功放設(shè)計(jì)師追求高效率和低相鄰?fù)ǖ拦β时?ACPR)，使用數(shù)字預(yù)失真(DPD)改善線性度正變得越來越流行。為了演示Doherty放大器的設(shè)計(jì)，本文將討論利用AWR公司的Microwave Office電路設(shè)計(jì)軟件完成的典型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何正確地解決晶體管中的各種非線性問題。

這種放大器的設(shè)計(jì)和構(gòu)建基礎(chǔ)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(fù)載將用標(biāo)準(zhǔn)的拉負(fù)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(zhǔn)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(yīng)用提供很高的功率附加效率(PAE)，比如蜂窩基站應(yīng)用。Doherty放大器最早是貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的William H.Doherty于1936年發(fā)明的。這么多年來設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)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)——但基本概念一直沒變。近年來Doherty放大器變得越來越流行，因?yàn)樗鼈兡軌蛱幚磔^大的峰均比信號(hào)，而這一點(diǎn)是無線應(yīng)用中的典型要求。

圖1顯示了常見的Doherty放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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AB類狀態(tài)下，而下面的放大器工作在C類。AB類放大器是設(shè)計(jì)作為線性放大器工作的，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并聯(lián)使用AB類和C類放大器可以提高功效。

注意，AB類放大器的效率要高于A類放大器，因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管是并聯(lián)使用的，并且偏置使得每個(gè)放大器導(dǎo)通50%的時(shí)間。B類偏置是AB類偏置狀態(tài)的有限情況。在AB類狀態(tài)下，設(shè)置偏置是使晶體管導(dǎo)通具有稍微重疊的區(qū)域。這樣可以最大限度地減小交越失真的問題——交越失真是一種晶體管導(dǎo)通所需非零壓降導(dǎo)致的性能下降。

C類放大器用作電路中的峰值放大器。在C類放大器被偏置的條件下，只有當(dāng)非零輸入功率超過預(yù)定義的輸入閾值時(shí)晶體管才會(huì)導(dǎo)通。因此C類放大器的效率很高，但具有高度非線性特性。Doherty放大器的理念是在低功率時(shí)使用AB類放大器，在較高功率時(shí)C類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(zhǎng)的匹配部分。這兩個(gè)部分是必要的，因?yàn)榉糯笃鞯妮斎胱杩挂恢痹谧兓?，在所有功率電平范圍?nèi)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(xiàn)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。舉例來說，版圖顯示了AB類(圖2上面)和C類(圖2下面)放大器。在預(yù)期的工作點(diǎn)饋線相差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(shè)計(jì)的，使用了針對(duì)這類電路的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法。這里運(yùn)用了拉負(fù)載仿真來確定實(shí)際的輸入輸出負(fù)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(fù)載曲線圖。

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

藍(lán)色曲線是在輸出負(fù)載變化時(shí)恒定輸出功率曲線。紫色曲線繪出了給定輸出負(fù)載條件下的PAE。當(dāng)(歸一化)負(fù)載位于紅色圓圈時(shí)達(dá)到最大輸出功率。當(dāng)負(fù)載位于綠色方框時(shí)達(dá)到最大PAE。幸運(yùn)的是，方框和圓圈位于基本相同的負(fù)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)最初是使用傳輸線模型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是用標(biāo)準(zhǔn)傳輸線模型創(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(zhǎng)寬比指標(biāo)。由于線路變得非常寬，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。需要著重指出的是，沒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(biāo)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(shù)結(jié)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以及組成Doherty放大器的AB類和C類放大器的動(dòng)態(tài)負(fù)載線。紫色曲線是AB類放大器的動(dòng)態(tài)負(fù)載線，而綠色曲線是C類放大器的負(fù)載線。

圖5：上面是Doherty放大器的晶體管在不同電壓(a,b,c)時(shí)的偏置線和動(dòng)態(tài)負(fù)載線。紫色曲線是AB類放大器的，綠色曲線是C類放大器的。隨著輸入功率增加，C類放大器開始導(dǎo)通。

從圖中可以看到，輸入功率從+26dBm增加到+40dBm;C類放大器導(dǎo)通，促使輸出電平增加。(注意：負(fù)載線包括封裝寄生效應(yīng)，這正是有負(fù)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(lán)色曲線和左軸)和PAE(紫色曲線和右軸)。效率增加到約56%，這要比單獨(dú)使用AB類放大器或C類放大器高出約7%。

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

通過校正系統(tǒng)中的各種非線性和失配還可以進(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(duì)于使用數(shù)字預(yù)失真的現(xiàn)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?fù)?。輸入功率用I/Q表格值進(jìn)行校正，然后通過整合提供校正后的結(jié)果。

VSS使用放大器的非線性系統(tǒng)模型來判斷整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)。建模方法是用未校正過的放大器仿真同相/正交(I/Q)值，然后在VSS仿真器內(nèi)創(chuàng)建校正表格，如圖7所示。校正因子針對(duì)各種輸入電壓計(jì)算出，創(chuàng)建想要的輸出。輸入功率乘以校正過的I/Q表格值。一旦計(jì)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(jì)算。

圖8：這是完整的VSS系統(tǒng)，使用的是完全符合規(guī)范的LTE輸入信號(hào)。

圖8顯示了完整的系統(tǒng)級(jí)分析，其中使用了完全符合規(guī)范的測(cè)試信號(hào)。在該評(píng)估中使用了長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)蜂窩信號(hào)。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。校正過的信號(hào)(紅色曲線)與未校正系統(tǒng)(藍(lán)色曲線)相比，減小了本底噪聲。圖10顯示了校正過的AM-AM和AM-PM曲線。從圖中可以看出顯著的改進(jìn)：校正過的放大器輸出功率增加了3dB，而且?guī)缀跸薃M-PM失真。

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

圖10：這些圖顯示了未校正和校正過的放大器的AM-AM和AM-PM測(cè)量結(jié)果。相位失真通過校正改善了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AWR公司提供了第二種方法來仿真電路，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(chǔ)效應(yīng)，只能仿真穩(wěn)態(tài)性能。在本例的VSS中執(zhí)行的系統(tǒng)仿真使用的是基于放大器AM-AM和AM-PM特性的非線性行為模型。它并沒有考慮存儲(chǔ)效應(yīng)或電路級(jí)問題，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(jí)仿真方法，仿真時(shí)間要比諧波平衡長(zhǎng)，但支持仿真存儲(chǔ)效應(yīng)。圖11顯示了一個(gè)可能結(jié)果類型的例子(這個(gè)例子中使用了英飛凌制造的功放)。紅色(非線性特性)和綠色(包絡(luò)仿真)曲線有少許差異。頻率的少許偏移是存儲(chǔ)效應(yīng)的特性。

圖11：這張曲線圖顯示了多載波系統(tǒng)的頻譜。

橙色曲線是經(jīng)過數(shù)字預(yù)失真校正過的放大器，結(jié)果表明有明顯的改善。輸入信號(hào)用藍(lán)色表示，傳統(tǒng)非線性特性模型用紅色表示，包絡(luò)仿真用綠色表示，數(shù)字預(yù)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。舉例來說，圖12顯示了在調(diào)制信號(hào)狀態(tài)下直流和射頻漏極電流。

圖12：這些曲線顯示了在調(diào)制信號(hào)條件下放大器的直流和射頻漏極電流。

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(shù)字預(yù)失真的Doherty放大器的設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)將電磁仿真用作建模過程的一部分時(shí)。另外，數(shù)字預(yù)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(shè)計(jì)這種放大器可以采用許多不同的仿真方法，也就是說，不同的程序針對(duì)不同的工作條件和效應(yīng)，而且仿真時(shí)間也可能不同。