详析Doherty功放设计之如何提升效率(下)

来源: 作者:2018年02月14日 12:12

  Doherty如何提升效率?从输入开始,经过一个功分器后分为两路Doherty提升效率都是指其可以提升回退功率时的效率。源是指实现负载牵引的电路元件是有源器件,在Doherty里就是指功放管。

  最近一直在加班定位问题,搞得人精疲力竭,这系列的文章更新的慢了。今天准备把经典的两路Doherty功放原理做个介绍,力图不用公式,把原理说明白就行。上一回把负载牵引的原理大致说了一下,解释了负载牵引提升效率的机理。这回就书接前文,先把Doherty如何提升效率简单做个说明,然后把有源负载牵引讲一下,进而说明有源负载牵引如何提升Doherty回退时的效率。

  Doherty如何提升效率?

  直接看图2-1。该图是一个典型的两路Doherty。容我略做介绍。从输入开始(作图匆忙,图中未标,就是最左边那个节点),信号经过一个功分器后分为两路,其一路我们称为Carrier路,亦称主路;其二路叫做Peak路,又唤辅路。这两路信号最终在一个叫合路点(就是图中两路信号输出交点处)的地方汇聚(就像长江黄河同出一源(有待考证),最后又汇于汪洋大海一样),然后浩浩荡荡流入负载。

  详析Doherty功放设计之如何提升效率(下)

  图2-1 典型两路Doherty架构

  其实说Doherty提升效率都是指其可以提升回退功率时的效率。如第一回所讲,现在的通信信号都具有高的峰均比,功放大都在均值功率处工作。举个例子,比如信号峰均比是6dB,平均功率是100W,那么功放的输出功率最高就要达到400W,因此如果你用一个400W的AB类功放回退到100W工作,那效率低的你自己都怕。因此呢对Doherty架构来讲,其一,总的输出功率是由两个(或更多)的功放管非隔离合路在一起的。如上图中的Carrier和Peak两个管子一起提供输出功率。如此每个管子输出功率就不需要那么大了;其二,在输出均值功率时(回退时),通常只有一个功放管在工作(如上图中只有Carrier管子,Peak关断),这个管子在输出该等级功率时的效率较高,比普通AB类回退要高近30%。以上图为例,来说下Doherty的工作过程。我们从满功率状态向均值功率回退。在满功率状态时carrier路和Peak路都饱和输出,当输出功率慢慢变小时,peak路逐渐关断,Carrier路的负载阻抗较饱和工作状态时变大,这样当功率回退到均值功率时,虽然Carrier电流较负载不变时减小,但其电压摆幅却因为负载阻抗变大而变大,这样也能获得同样的输出功率,但此时效率却大大提升。

  上面解释了Doherty为何能在回退功率处提升效率---回退功率时负载阻抗变大,下面说下其“负载阻抗变大”所依赖的有源负载牵引。

  何为有源负载牵引?

  我们分开看就是:有源+负载牵引。负载牵引已经说过了,那么有源语出何处呢?其实有源是指实现负载牵引的电路元件是有源器件,在Doherty里就是指功放管。 我们这里做个约定,就是Carrier路和Peak路的功放可以等效为电流源(目前为止是可以的)。有了这个约定后,我们来分析有源牵引的工作过程。如图2-2所示,将主路和辅路功放等效为两个电流源,分别起名为Im,Ip。,二者的共同负载阻抗为R。

详析Doherty功放设计之如何提升效率(下)

  图2-2有源负载牵引示意图

  如此,负载上的电压就是由两部分电流在其上面所产压降的叠加。我们现在来做个情景模拟。首先假设电流Ip为0,那么此时只有电流Im流过负载R,负载上的电压V就是Im*R。换言之,从电流源Im向负载方向看过去的阻抗Zm此刻等于V/Im,也就是等于负载阻抗R。好了,接下来我们假设电流Ip从无电流状态慢慢的流出电流到负载,此时从电流源Im看向负载的阻抗Zm是多少呢?还是用电压除以电流嘛。此刻负载上电压是(Im+Ip)*R,电流是Im(这点很重要,因为从电流源Im这一侧看到流入负载的电流一直是Im,没有变化的),那么此时的Zm就是(1+Ip/Im)*R了。聪明的你会发现,电流源Ip对电流源Im的视在阻抗进行了调制(牵引)。假设两电流源的电流大小一样,那么当辅路电流为0时,主路的视在阻抗为负载阻抗R,辅路的视在阻抗为开路状态;当辅路逐渐开启,电流Ip由小变大时主路的视在阻抗由R变为2R。这样通过辅路电流注入的变换就完成了对主路视在阻抗的调制。啰嗦那么多是想在不写公式的情况下把这个有源负载牵引的过程说清楚。其实上面的一堆就是下面的一个式子(还是数学简洁啊),愿意看的请移步。

  详析Doherty功放设计之如何提升效率(下)

  有人看了上面的乱七八糟的东西,可能心生疑问:这些和Doherty功放提升回退效率如何对应呢?接下来就说一下Doherty里如何进行负载牵引(准确的说是对Carrier路),进而提升回退效率的。为了方面,把图2-1重新贴于此处。

详析Doherty功放设计之如何提升效率(下)

  我们以最经典的两路对称Doherty来讲,此时功分器是3dB等功分,主路和辅路所用功放管是相同的(匹配亦相同)。在输入信号比较小的时候(也就是说输出功率不大时),Peak路是关断的,不工作,没有电流。此时从合路点向Peak路看过去的阻抗Rp为无穷大,为开路状态。当输入信号功率慢慢增加,peak路开始打开,有电流流入负载。如前分析,此时主路看到的阻抗Rm就开始慢慢变大,当两路都饱和时,Rm就变为了2R。这个过程就是Peak路对Carrier路的有源负载牵引。那么有人此时可能有会有疑问:不是说Doherty是提升回退状态(输出较小功率)下的效率吗?按你这种分析好像恰恰相反,输出功率变大,Carrier路的负载阻抗变大(效率变大),回退功率时(Peak路减小输出)负载阻抗变小(效率变低)。很好,其实细心的同学会发现,在Carrier路中,功放输出后有个叫阻抗变换器的东西。这个东西其实就是一个无源电路,通常理论分析时用一个1/4波长的变换线来代替。有学过射频的同学应该都清楚,1/4波长变换线特征阻抗确定后,其两端的阻抗是反比关系的,也就是一端阻抗由小变大那么另一端就是由大变小。

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