Doherty技术在基站放大器改善效率中的应用.docx

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Doherty技术在基站放大器改善效率中的应用

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Doherty技术在基站放大器改善效率中的应用

V1.0

认证测试工程师培训教材

林惠帆译

目录TableofContents

术语4

摘要8

第一章介绍8

1、前言8

2、科研目的8

3、文章架构9

第二章射频功率放大器10

1、功放管类型的选择10

a）A类10

b）B类11

c）AB类12

d）C类13

e）其他高效率类型13

2、放大器的特性13

a）线性度13

b）线性的测量13

c）1dB压缩点14

d）互调失真14

e）三阶截止点15

f）效率16

g）噪声16

3、LDMOS功放管16

4、结论17

第三章Doherty功率放大器18

1、介绍18

2、Doherty功放的历史19

3、采用真空管的典型DPA19

4、现代的Doherty功放20

5、负载牵引技术21

6、四分之一波长传输线22

7、特性阻抗的计算23

8、工作原理25

a）第一阶段26

b）第二阶段27

c）第三阶段28

9、Doherty结构的性能28

10、优缺点29

11、结论30

第四章设计与实现31

1、前言31

2、WCDMA指标31

3、设计结构31

4、类型的选择32

5、设计过程33

a）设计功放管的通路33

b）直流分析33

c）优化负载阻抗的方法34

d）输入和输出匹配35

e）偏压36

f）设计输出合路器36

6、设计的实现38

7、结论38

第五章仿真和优化39

1、前言39

2、Doherty功放Ⅰ39

a）单音信号的仿真结果39

b）双音信号的仿真结果42

3、DohertyⅡ（B类＋C类）44

4、Doherty结构的比较46

5、负载调制的重要性47

6、DPA中主管偏压的影响49

7、DPA副管偏压的影响50

8、结论52

第六章总结和结论53

1、总结53

2、结论53

3、未来的趋势53

术语

3GThirdGenerationCellularSystems

ACIAdjacentChannelInterference

ACPRAdjacentChannelPowerRatio

BPSKBinaryPhaseShiftKeying

CDMACodeDivisionMultipleAccess

DPADohertyPowerAmplifier

EEREnvelopeEliminationandRestoration

QAMQuadratureAmplitudeModulation

EVMErrorVectorMagnitude

GMSKGaussianMinimumShiftKeying

GSMGlobalSystemforMobileCommunications

IIP3ThirdOrderInterceptPoint

LDMOSLaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor

LINCLinearAmplificationUsingNon-linearCo

OIP3OutputInterceptPoint

PAEPowerAddedEfficiency

QPSKQuadraturePhaseShiftKeying

WCDMAWidebandCodeDivisionMultipleAccess

Cds---漏-源电容

Cdu---漏-衬底电容

Cgd---栅-源电容

Cgs---漏-源电容

Ciss---栅短路共源输入电容

Coss---栅短路共源输出电容

Crss---栅短路共源反向传输电容

D---占空比（占空系数，外电路参数）

di/dt---电流上升率（外电路参数）

dv/dt---电压上升率（外电路参数）

ID---漏极电流（直流）

IDM---漏极脉冲电流

ID（on）---通态漏极电流

IDQ---静态漏极电流（射频功率管）

IDS---漏源电流

IDSM---最大漏源电流

IDSS---栅-源短路时，漏极电流

IDS（sat）---沟道饱和电流（漏源饱和电流）

IG---栅极电流（直流）

IGF---正向栅电流

IGR---反向栅电流

IGDO---源极开路时，截止栅电流

IGSO---漏极开路时，截止栅电流

IGM---栅极脉冲电流

IGP---栅极峰值电流

IF---二极管正向电流

IGSS---漏极短路时截止栅电流

IDSS1---对管第一管漏源饱和电流

IDSS2---对管第二管漏源饱和电流

Iu---衬底电流

Ipr---电流脉冲峰值（外电路参数）

gfs---正向跨导

Gp---功率增益

Gps---共源极中和高频功率增益

GpG---共栅极中和高频功率增益

GPD---共漏极中和高频功率增益

ggd---栅漏电导

gds---漏源电导

K---失调电压温度系数

Ku---传输系数

L---负载电感（外电路参数）

LD---漏极电感

Ls---源极电感

rDS---漏源电阻

rDS（on）---漏源通态电阻

rDS（of）---漏源断态电阻

rGD---栅漏电阻

rGS---栅源电阻

Rg---栅极外接电阻（外电路参数）

RL---负载电阻（外电路参数）

R（th）jc---结壳热阻

R（th）ja---结环热阻

PD---漏极耗散功率

PDM---漏极最大允许耗散功率

PIN--输入功率

POUT---输出功率

PPK---脉冲功率峰值（外电路参数）

to（on）---开通延迟时间

td（off）---关断延迟时间

ti---上升时间

ton---开通时间

toff---关断时间

tf---下降时间

trr---反向恢复时间

Tj---结温

Tjm---最大允许结温

Ta---环境温度

Tc---管壳温度

Tstg---贮成温度

VDS---漏源电压（直流）

VGS---栅源电压（直流）

VGSF--正向栅源电压（直流）

VGSR---反向栅源电压（直流）

VDD---漏极（直流）电源电压（外电路参数）

VGG---栅极（直流）电源电压（外电路参数）

Vss---源极（直流）电源电压（外电路参数）

VGS（th）---开启电压或阀电压

V（BR）DSS---漏源击穿电压

V（BR）GSS---漏源短路时栅源击穿电压

VDS（on）---漏源通态电压

VDS（sat）---漏源饱和电压

VGD---栅漏电压（直流）

Vsu---源衬底电压（直流）

VDu---漏衬底电压（直流）

VGu---栅衬底电压（直流）

Zo---驱动源内阻

η---漏极效率（射频功率管）

Vn---噪声电压

aID---漏极电流温度系数

ards---漏源电阻温度系数

摘要

在无线通讯系统中放大器属于典型的高功耗子系统。

在当今频谱资源有限的时代，日新月异的技术要求以最小的频谱量来完成最大量的数据通信，而这需要先进的调制技术来覆盖更广的范围和更高的动态线性。

虽然已实现了线性功放，但往往其成本比较高，在现代无线通讯应用中，例如WCDMA使用的带高峰均比的非衡定量包络调制技术。

线性已成为一个关键指标，在这方面的应用上放大器得工作在饱和状态的功率回退区域。

所以，为了克服供电电源寿命的限制，设计一种能够在宽频输入电平内保持高效率的功放已成为首选的解决方案。

本文探讨了一种改善线性功放宽带输出中的漏级效率技术如A类或AB类。

Doherty技术采用了2个并联的放大管，这种组合方法提高了主功放在最大输出功率回退6dB后的额外效率。

功放管类型的选择（A类、AB类、B类或C类等）及设计技术在本文做了介绍。

在第4章中提出了2.14GHzDoherty功放的设计。

这项技术在压缩点回退6dB后将额外效率提升了15%，这类功放可应用于WCDMA的发射站中。

第一章介绍

1、前言

在当今如IS-95，CDMA-2000大多数应用中，功放的高效率和线性度已成为最重要的指标，但这两项指标在功放设计中互相冲突，在当今日新月异的设计技术中如何在宽频范围内保持高效率成为设计功放中最具挑战性的任务。

在当今频谱资源有限的时代，要求以最小的频谱使用量来完成最大量的数据通信，这需要先进的调制技术来覆盖更广的范围和更高的动态线性。

虽已实现了线性功放，但往往其成本比较高。

在现代无线通讯标准中为了达到高数据传输率和频谱效率，通常会应用到非恒定量包络调制技术如QPSK。

为了满足在发射动态范围中的线性度，运用于此系统的功放须工作于饱和回退区域，这会降低功放的效率同时减短了供电电源的寿命。

目前解决此问题的方法主要运用复杂的先进线性技术来设计非线性高效率功放。

2、科研目的

在这项科研中，采用Doherty技术高效率功放未满足3GWCDMA在线性方面的严格要求。

此项科研目的如下：

1、详细分析采用一致状态器件与采用真空管进行典型设计的不同Doherty功放；

2、采用MotorolaHV_FET晶体管来设计两级Doherty功放的详细方法；

3、设计和仿真如何实现两类不同的采用HV4处理技术LDMOS管，运用于WCDMA和频率为2.14GHz带宽为5MHz的Doherty功放；

4、分析Doherty功放中主管和副管对效率和线性的影响；

5、有关提高Doherty功放线性的技术文献的分析

3、文章架构

此报告有两项重要目的：

第一，向读者介绍两级Doherty功放的原理，第二，与典型的功率设计做比较并探讨其性能。

报告内容的安排如下：

第二章讨论了在功放设计中常用的方法论和设计中会涉及到的常见设计参数的简单解释。

同时提到了LDMOS管的一些重要特性。

第三章主要描述了Doherty技术的原理和采用真空管设计Doherty功放的历史，并带有有关一个理想Doherty功放工作的讨论。

第四章详细描述了如何使用LDMOSFETs来设计两级Doherty功放。

第五章讨论了采用两种不同的Doherty设计实现的仿真结果。

对比分析了采用典型设计方法的性能。

最后得出此项科研的结论。

第二章射频功率放大器

1、功放管类型的选择

使用于收发电路中的LDMOS功放管，其角度变化为非线性变化，而该特性取决于管子的类型。

在输入信号不变的情况下，输出电流的会随LDMOS的门限偏压做谐振变化。

在一些应用当中，对于部分特定的输入信号而言这也许是需要的，而这特定的输入信号对管子的类型起了决定作用。

在这章中将讨论Doherty功放中常用到的四种类型，图2.1为不同类型放大管的传输性能和特性。

图2.1　不同类型放大管的工作特性

a）A类

A类放大管的偏压在输入处于关断和饱和之间的区域变化，集电极的电流在输出信号的整个环路（360°）变化。

图2.2　A类功放的传输特性

如图2.1所示靠近晶体管中频点的偏移区被称为工作区。

A类放大管与其他类型的管子相比可提供最大线性度。

b）B类

B类放大管的集电极（漏级）电流只在射频信号的半波内变化，直流工作点的门限电流设为零并不外加射频信号，这可通过管子的截止电压偏置来完成，任何流经管子的电流直接进入负载。

更确切地说，B类放大器的工作角度保持