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浅析Doherty功率放大器的设计与应用

2019年05月17日 15:51 次阅读

射频功率放大器被广泛应用于各种无线通信设备中。在通讯基站中,线性功放占其成本比例约占1/3。高效率,低成本的解决功放的线性化问题显得非常重要。因此高效率高线性的功放一直是功放研究的热门课题。

1.Doherty功率放大器应用背景

伴随着现代无线通信技术的高速发展,通信产品已经广泛的融入了人们的生活中,对人们的影响越来越大。射频功率放大器作为无线通信系统中主要器件之一,其性能对系统终端的影响重大。无线通信系统的标准由传统的GSM标准到第三代通信标准WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000,以及今天的第四代通信标准LTE(Long Term Evaluation)。信号的调制方式也随之发生改变,由恒包络调制向包络变换调制方式转变。

例如,在WCDMA中采用的OFDM包络变换调制方式,其传输功率有着较高的均峰比,来满足最大限度的增加系统的容量。因此需要功率放大器能够在一定的功率回退中保证PA的线性度。但是传统的功率放大器在功率回退范围内的效率很低,因此,提高基站中功率放大器在功率回退中的效率变得尤为重要。提高效率的方法有很多, Doherty功率放大器技术结构简单,性价比高等优势,早已成为基站功率放大器研究的热点。当前射频功率放大器的设计正围绕着“高效率”、“多波段”、“高线性化”的方向发展。

2.Doherty功率放大器架构

浅析Doherty功率放大器的设计与应用

3.Doherty功率放大器工作原理概述

Doherty结构由2个功放组成: 一个Main Amplifier(主功放),一个Peak Amplifier(辅助功放),主功放工作在AB类,辅助功放工作在B类或C类。两个功放不是轮流工作,而是主功放一直工作,辅助功放到设定的峰值才工作。主功放后面的四分之一波长线是阻抗变换,目的是在辅助功放工作时,起到将主功放的视在阻抗减小的作用,保证辅助功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低,这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有了四分之一波长线,为了使两个功放输出同相,在辅助功放前面也需要四分之一波长线,用以平衡二路的相位。如图1所示。

4.Doherty功放工作的三个阶段

Doherty技术是有源负载调制技术,主功放的负载随着信号强度的变化而变化。从输入信号强度划分,Doherty功放的工作区域可以大致分为三个阶段:小信号阶段、中等信号阶段和大信号阶段。如图2所示。

浅析Doherty功率放大器的设计与应用

a)小信号阶段

在小信号阶段,由于峰值功放工作在B类或C类,信号强度不足以使其工作,因此其截止,呈现开路状态。主功放由于四分之一波长变换线将等效负载变为100Ω,负载电压升高,使主功放提前进入预饱和状态,效率提高。

b)中等信号阶段

当信号逐渐增强时,辅助功放开启,有源调制效应出现,主功放的等效负载由100Ω向50Ω的方向减小(并没有达到50Ω),而主功放的电压受到辅助功放牵制保持预饱和状态,辅助功放的负载由开路状态向50Ω转变。

此时功放由最大效率状态向最大输出状态转变,效率维持不变(理想情况),线性有所提高。

c)大信号阶段

随着输入信号的逐渐增强,辅助功放和主功放的电流增大,主功放的输出电压不变(理想情况),保持高效率。而主功放的负载继续减小,输出功率增加,当辅助功放达到饱和时,主功放和辅助功放的电流都达到了最大值。主功放,辅助功放负载均为50Ω,输出功率达到最大。

5.Doherty功放的设计

a)Doherty功放的缺点和注意点

前面提到了Doherty结构简单和效率高的特点,但它也有不可克服的缺点,增益降低,带宽减小,敏感度高。

●增益降低

Doherty功放和AB类功放相比,其增益降低了2-3dB,原因是辅助功放处于C类,而末级功放的增益降低会影响到Doherty功放设计,因此在设计选择推动级时,要考虑到增益降低带来的影响,多留出设计余量。

●带宽减小

通过调试或者仿真可以看出,Doherty是个窄带系统,带宽小,尤其是线性。调试时经常发现调好高端后,发现低端又不能满足指标要求。原因是阻抗变换和1/4波长变换线的窄带特性导致的。

●敏感度高

前面提到Doherty的实质就是有源负载调制,两路功放相互影响程度较大,敏感度较高。由于这种敏感度存在,所以研发阶段应该在比较敏感的地方预留一些可调试的部分(焊盘),便于生产中校正其离散性。

b)Doherty功放设计要点

功放主要是由功放管,偏置电路,匹配电路三部分组成,关注的要点是效率,线性,稳定性。

●稳定性

不稳定是功放设计中比较忌讳的事情。轻则杂散大,重则无法正常工作。比如自激,烧LDMOS管等。其实不稳定就是放大器变成了振荡器。设计时可以通过如下措施进行避免。

◊ 偏置电路反馈及处理办法

采用1/4波长微带线和去耦电容的方法阻止反馈回路的形成。

PCB板和地平面的要有足够多的螺钉固定,并且在功放管附近保证良好接地。

◊ 结构分腔设计

单个腔体中增益过高容易引起空间的耦合,加盖板影响较大。单个腔体内的增益最好小于30dB,过高的增益需要分腔设计,两路之间要用金属隔挡,尽量长,盖板上增加屏蔽条,有效隔断减小相互影响。

◊ 两级级间的考虑

在直接级联时,放大器间的影响是不可消除的。即使单级放大器是稳定和指标良好的,但级联效果不一定就好,这时就需要增加隔离器或者电阻衰减网络。

c)Doherty功放的设计思路

浅析Doherty功率放大器的设计与应用

◊ 按照AB类功放的方法设计输入输出匹配。

◊ 按照Doherty的架构组合两路功放,并加上offset线。

◊ 在整体架构上调整各offset线的长度以实现高效率和高线性。

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DRV593和DRV594是高效率,高电流功率放大器,非常适合驱动2.8 V至5.5供电系统中的各种热电冷却器元件V.器件的操作仅需要一个电感器和电容器用于输出滤波器,从而节省了大量的印刷电路板面积。脉冲宽度调制(PWM)操作和低输出级导通电阻可显着降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在内部受到热和电流过载保护。当结温达到大约128°C时,逻辑电平故障指示信号发出信号,以便在放大器内部热关断电路激活之前进行系统级关断。当发生过电流事件时,故障指示器也会发出信号。如果过流电路跳闸,器件会自动复位(更多详细信息,请参见应用信息部分)。 根据系统要求,PWM开关频率可设置为500 kHz或100 kHz。为消除外部元件,DRV593的增益固定为2.3 V /V.对于DRV594,增益固定为14.5 V /V. 特性 与DRV591相比,操作将输出滤波器尺寸和成本降低50% ±3-A最大输出电流 低电源电压工作:2.8 V至5.5 V 高效率产生更少热量 过流和热保护 故障指示灯过流,热和欠压条件 两个可选择的开关频率 内部或外部时钟同步 针对EMI优化的PWM方案 < li> 9×9 mm PowerPAD™Quad Flatpack封装 应用 热电冷却器(TEC)驱动器 激...

发表于 2018-08-10 17:37 188次阅读
DRV593 +/-3A 高效 PWM 功率驱动...

DRV591 高效 PWM 功率驱动器

DRV591是一款高效率,高电流功率放大器,适用于驱动2.8 V至5.5 V电源系统中的各种热电冷却器元件PWM工作和低输出级导通电阻可显着降低放大器的功耗。 DRV591内部具有热和电流过载保护功能。逻辑电平故障指示器在结温达到约130°C时发出信号,以便在放大器内部热关断电路激活之前进行系统级关断。当发生过电流事件时,故障指示器也会发出信号。如果过流电路跳闸,DRV591会自动复位(更多详细信息,请参见应用信息部分)。 根据系统要求,PWM开关频率可设置为500 kHz或100 kHz。为了消除外部元件,增益固定在大约2.3 V /V。 特性 ±3-A最大输出电流 低电源电压工作:2.8 V至5.5 V < li>高效率产生的热量 过流和过热保护 过流,过热和欠压条件下的故障指示灯 两种可选择的开关频率 内部或外部时钟同步 针对EMI优化的PWM方案 9×9 mm PowerPAD ?? Quad Flatpack 应用 热电冷却器(TEC)驱动器 激光二极管偏置 PowerPAD是德州仪器公司的商标。 参数 与其它产品相比 TEC/激光 PWM 功率放大器   Vs (Min) (V) Vs (Max) (V) rDS(on) (Ohms) Output Current (Typ) (A) ...

发表于 2018-08-10 17:37 193次阅读
DRV591 高效 PWM 功率驱动器

W波段机场异物检测FOD雷达毫米波前端解决方案

上海馥莱电子是一家专业的射频、微波和毫米波产品供应商,携手瑞典知名芯片设计公司Gotmic,提供W波...

发表于 2018-08-10 16:16 2146次阅读
W波段机场异物检测FOD雷达毫米波前端解决方案

CC2595 用于 2.4GHz ISM 频带系...

CC2595是一款PA解决方案,可扩展任何Zigbee或蓝牙收发器的范围。它是一款经济高效的高性能RF前端,适用于2.4 GHz频段的低功耗和低电压无线应用。如果使用适当的外部元件,其单端RF输入和输出使其与任何制造商的收发器兼容。当使用发送/接收(T /R)开关和平衡 - 不平衡转换器时,它可以与现有和未来的CC24XX和CC25XX收发器产品连接。 CC2595通过提供功率放大器来扩展链路预算,以提高输出功率。它对高(+20 dBm)输出功率非常有效,使其适用于电池供电系统。 CC2595包含PA和RF匹配,可用于高性能无线应用的简单设计。它采用3×3mm,16引脚QFN封装,带有裸露焊盘。 特性 低成本和小包装 非常少的外部组件 2.0-V到3.6- V操作 掉电模式下小于1μA的电流消耗 低发送电流消耗 3 V时98 mA,+ 20.7 dBm输出(PAE) = 40%) 符合RoHS标准的3×3毫米QFN-16封装 参数 与其它产品相比 射频增益块放大器   Number of Channels (#) Frequency (Min) (MHz) Frequency (Max) (MHz) Noise Figure (Typ) (dB) P1dB (Typ) (dBm) Gain (Typ) (dB) Impedance Match...

发表于 2018-08-10 16:12 89次阅读
CC2595 用于 2.4GHz ISM 频带系...

锐迪科推出全系列硅基CMOS工艺的GSM功率放大...

自2007年7月份推出第一款GSM 射频功率放大器芯片(以下简称“PA”)以来,RDA凭借其产品稳定...

发表于 2018-07-30 14:26 1781次阅读
锐迪科推出全系列硅基CMOS工艺的GSM功率放大...

MaximD类功率放大器,MAX98355与MA...

MAX98355/MAX98356的内部电路能够检测输入时钟,自动计算采样率,从而简化了音频设备,并...

发表于 2018-07-29 10:22 1699次阅读
MaximD类功率放大器,MAX98355与MA...

深圳飞骧科技打造高端射频中国芯,在5G移动通信产...

中国移动联合深圳飞骧科技 (Lansus Technologies) 等“5G终端先行者计划”成员在...

发表于 2018-07-27 16:19 4569次阅读
深圳飞骧科技打造高端射频中国芯,在5G移动通信产...

分析混合型包络放大器电路结构以及电路的关键的设计...

EER技术是KAHN L R在1952年提出的[5],系统结构如图1所示。射频输入信号进入系统后分为...

发表于 2018-07-22 10:08 1452次阅读
分析混合型包络放大器电路结构以及电路的关键的设计...

RF FEM如何扩大用于IoT短程无线电系统

低功耗蓝牙和 zigbee 等广泛使用的 2.45 GHz 短程无线电系统是特别适合物联网 (IoT...

发表于 2018-07-09 09:14 3826次阅读
RF FEM如何扩大用于IoT短程无线电系统

可用于卫星通讯的功率放大器

目前而言最先进的商业卫星以100-200Mbps的速度传输于地球,而对于一些先进的大型单一卫星概念目...

发表于 2018-07-02 14:38 1737次阅读
可用于卫星通讯的功率放大器

5G除了将带来工艺问题,还存在着测试挑战

Fischetti还指出,III-V工艺要在经济上可行,就不能有重制晶圆(reworked wafe...

发表于 2018-06-26 08:47 1758次阅读
5G除了将带来工艺问题,还存在着测试挑战