Doherty放大器可 以在很寬的動態(tài)范圍內輸出功率，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的傳輸線鏈 接在一起。載波放大器通常針對線性工作進行偏置（例如A類或AB類放大器），而峰值放大器一般針對非線性工作進行偏置（例如C類放大器）。隨著輸入功率的 增加，峰值放大器逐漸導通，從而增強載波放大器輸出的功率。如果設計正確，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。
　　隨著功放設計師追求高效率和低相鄰通道功率比（ACPR），使用數字預失真（DPD）改善線性度正變得越來越流行。為了演示Doherty放大器的設計，本文將討論利用AWR公司的Microwave Office電路設計軟件完成的典型設計。設計的關鍵是如何正確地解決晶體管中的各種非線性問題。
　　這種放大器的設計和構建基礎是恩智浦公司的晶體管技術。放大器的工作點和最優(yōu)負載將用標準的拉負載技術確定。電磁（EM）仿真將 用于建模放大器版圖的關鍵部分，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，但本文還是會討論到許多其他的仿真選擇（包括電路包絡仿真的使用）。
　　Doherty放大器可以為功率很重要的應用提供很高的功率附加效率（PAE），比如蜂窩基站應 用。Doherty放大器最早是貝爾電話實驗室的William H.Doherty于1936年發(fā)明的。這么多年來設計的細節(jié)已經發(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——但基本概念一直沒變。近年來Doherty放大器變得越來越流行，因為它們能夠處理較大的峰均比信號，而這一點是無線應用中的典型要求。
　　圖1顯示了常見的Doherty放大器拓撲結構，其中的關鍵是兩個并聯(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類放大器是設計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：這張簡單的框圖展示了Doherty放大器的拓撲結構。并聯(lián)使用AB類和C類放大器可以提高功效
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　　注意，AB類放大器的效率要高于A類放大器，因為兩個晶體管是并聯(lián)使用的，并且偏置使得每個放大器導通50%的時間。B類偏置是AB類偏置狀態(tài)的有限情況。 在AB類狀態(tài)下，設置偏置是使晶體管導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通所需非零壓降導致的性能下降。
　　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，只有當非零輸入功率超過預定義的輸入閾值時晶體管才會導通。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使用AB類放大器，在較高功率時C類放大器也提供輸出功率。有意義的是，在較高功率 電平時這可以提高PAE。需要注意的是，電路包含兩個在工作頻率下四分一波長的匹配部分。這兩個部分是必要的，因為放大器的輸入阻抗一直在變化，在所有功 率電平范圍內保持整個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現的。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。在預期的工作點饋線相差90度。
　　
　　圖2：左圖是Doherty放大器的頂層原理圖，右圖是兩個放大器的版圖。
　　上述Doherty放大器是在Microwave Office軟件的輔助下設計的，使用了針對這類電路的標準設計方法。這里運用了拉負載仿真來確定實際的輸入輸出負載——這是確定阻抗匹配網絡的第一步。圖3顯示了一個典型的拉負載曲線圖。
　　
　　圖3：這些拉負載仿真結果展示了恒定輸出功率曲線（藍色曲線）和PAE曲線（紫色曲線）。紅色圓圈代表最大輸出功率時的負載點；綠色方框代表最大功效時的負載點。
　　藍色曲線是在輸出負載變化時恒定輸出功率曲線。紫色曲線繪出了給定輸出負載條件下的PAE。當（歸一化）負載位于紅色圓圈時達到最大輸出功率。當負載位于綠色方框時達到最大PAE。幸運的是，方框和圓圈位于基本相同的負載處，從2Ω到2.5Ω。輸出匹配網絡如圖4所示。
　　
　　圖4：輸出匹配網絡最初是使用傳輸線模型設計的，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進行了仿真。
　　最初的Doherty放大器設計是用標準傳輸線模型創(chuàng)建的。然而，這些模型不足以提供低阻抗匹配網絡所需的極端長寬比指標。由于線路變得非常寬，模型精度會降低。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格狀的電磁版圖。這個版圖經過了顏色編碼處理，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輸出到 電磁放大器，而是可以使用AWR公司的電磁提取技術輕松地將電路版圖的目標部分發(fā)送到電磁仿真中，端口可以在那里自動添加。仿真得到的S參數結果用在了放 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進行電路建模。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類放大器的動態(tài)負載線。紫色曲線是AB類放大器的動態(tài)負載線，而綠色曲線是C類放大器的負載線。
　　
　　圖5：上面是Doherty放大器的晶體管在不同電壓（a，b，c）時的偏置線和動態(tài)負載線。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類放大器開始導通。
　　從 圖中可以看到，輸入功率從+26dBm增加到+40dBm；C類放大器導通，促使輸出電平增加。（注意：負載線包括封裝寄生效應，這正是有負電壓與電流值 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一步提高放大器的性能。有幾種方法可以做到這一點。本文介紹的方法對于使用數字預失真的現代移動編碼方案特別管 用。這種技術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。