（电路与系统专业论文）doherty功率放大器的设计.pdf

摘要 摘要 当今的无线通信标准中，包络变换的调制方式已经得到了广泛的运用。 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、l t e ( l o n g t e r me v a l u a t i o n ) 、 w m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 等采用o f d m 调制方式 的无线通信标准，越来越占据着重要的位置。包络变换的通信系统中传输的是高峰 均比的信号，而且占用的带宽越来越大。功率放大器是通信系统中的重要组成部 分。包络快速变换的通信系统对功率放大器的效率提出了更高的要求。 本论文针对上述问题，首先以d o h e r t y 结构的功率放大器为主要的研究对象， 在理论上推导了d o h e r t y 功率放大器的机理，分析了对称结构、非对称结构、n 路 和s a t u r a t e d 型d o h e r t y 功率放大器的工作原理。 接着，采用f r e e s c a l e 公司的l d m o s 器件m r f 7 s 2 1 0 8 0 h ，设计了一个平均 功率4 0 形的d o h e r t y 功率放大器，提出了仿真中的负载牵引、d o h e r t y 功率合成的 调试方法。其次进行了实物的测试，指出d o h e r t y 功率放大器实际调试中的注意事 项，最终完成了驱动放大器和d o h e r t y 放大器的调试工作，结果满足系统的指标要 求。 最后，对第三代半导体g a n 的性能进行了分析，指出其在功率器件中的优势， 并用n i t r o n e x 公司的n p t 2 5 1 0 0 进行了仿真，积累了设计的经验，为后续的研究打 下了基础。 关键词：功率放大器、d o h e r t y 、效率、g a n a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ee n v e l o p e - v a r i e d m o d u l a t i o nh a sb e e n w i d e l y u s e d t h e o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i - p l e x i t y )m o d u l a t i o n ， s u c h a s w c d m a ( w i d e - b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，l t e ( l o n gt e r me v a l u a t i o n ) ， w l m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) h a v ep l a y e dm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l e s t h ee n v e l o p e v a r i e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt r a n s m i t st h eh i 曲 p e a k t o - a v e r a g er a t i o ( p a r ) s i g n a l ，w h i c ha l s o h a sm o r eb a n d w i d t h t h ep o w e r a m p l i f i e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t si nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hh a sb e e n r e q u i r e dt ob em o r ee f f i c i e n t t h i sp a p e ra i m st of i n dt h ew a yt os o l v et h i sp r o b l e m f i r s t l y , i tf o c u s e so nt h e d o h e r t yp o w e ra m p l i f i e ra n da n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fi t , s u c ha st h es y m m e t r i cd o h e r t y a m p l i f i e r ，a s y m m e t r i cd o h e r t ya m p l i f i e r , ns e r i e sd o h e r t ya m p l i f i e ra n dt h es a t u r a t e d d o h 酣ya m p l i f i e r s e c o n d l y ，t h ef r e e s c a l e sl d m o st r a n s i s t o rm r f 7 s 2 10 8 0 hi su s e df o rd e s i g n i n g t h ed o h e r t ya m p l i f i e r ，w h i c hh a s4 0 wa v e r a g eo u t p u tp o w e r t h es i m u l a t i o nm e t h o d s o ft h el o a d p u l la n dt h ed o h e r t yc o m b i n i n gh a v eb e e ni n t r o d u c e d t h e n ，t h et e s to ft h e w h o l ea m p l i f i e rs y s t e mh a sb e e nd o n e t h et e s tr e s u l t sa n dt h em e t h o do ft h ed o h e r t y c o m b i n i n gt u n i n gh a v eb e e ni n t r o d u c e d f r o mt h et e s tr e s u l t s ，t h ed r i v e ra m p l i f i e ra n d t h ed o h e r t ya m p l i f i e rh a v em e tt h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m f i n a l l y , t h e3 mg e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o rg a nh a sb e e na n a l y z e d , f o ri t s a d v a n t a g e si nt h ep o w e rd e v i c e t h es i m u l a t i o nw i t ht h et r a n s i s t o rh a sb e e nd o n e ，w h i c h i sn p t 2 510 0 ，f r o mt h en i t r o n e xc o r p o r a t i o n d u r i n gt h i sw o r k , t h ed e s i g ne x p e r i e n c e h a sb e e na c c u m u l a t e d ，w h i c hi su s e f u lf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r , d o h e r t y , e f f i c i e n c y , g a n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：煎查z日期：。闷年；序j e t 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盐垄2导师签名： 李嘶移 e l 期：汕厂口年月汁日 第一章引言 第一章引言 1 1 通信系统对功率放大器的要求 在当今的无线通信标准中，恒包络调制的通信方式逐渐被包络变换的调制方 式所替代，w c d m a 、l t e ( l o n gt e 删e v a l u a t i o n ) 、w i m a x 等采用o f d m 调制方 式的无线通信标准，越来越占据着重要的位置。包络变换的调制方式中传输的是高 峰均比的信号，而且占用的带宽越来越大，这对功率放大器提出了新的要求。 功率放大器工作在高峰均比信号的环境中，要求其在平均输出功率时具有高 线性的同时，还应有高的效率。传统的纯回退方式，由于其低的效率，已经不适 用于无线通信系统的要求。 所以，如何提高工作于高峰均比信号下的功率放大器的效率，成为人们研究 的热点【l 】。目前采用的技术是d o h e r t y 技术、包络跟踪技术、包络消除和恢复技术 等。d o h e r t y 技术与其他技术相比，因其设计电路简单、易于操作的特点，而得到 了广泛的运用。如果将d o h e r t y 技术和线性化技术，如数字预失真( d p d ) 等结合起 来，可以在保证高效率的同时兼顾线性度的要求。 1 2d o h e r t y 放大器的研究方向 美国b e l l 实验室的d o h e r t y 最先提出来d o h e r t y 功率放大器的概念的1 1 】。其详 细的工作原理，f r e d e r i c k 在1 9 8 7 年的文献【2 】中已经给出了推导。目前的研究方向 主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 对称结构的d o h e r t y 放大器 3 - 1 0 】 对称结构的d o h e r t y 放大器能够保证在功率回退6 妇的时候保持和饱和功 率一样的效率。 ( 2 ) 非对称结构的d o h e r t y 放大器 1 1 - 5 】 非对称结构d o h e r t y 放大器的核心是主放大器和辅助放大器的驱动功率的不 同。辅助放大器的驱动功率更大，这样可以保证两个放大器在高功率工作时可以完 全的牵引到最佳的功率匹配点。 ( 3 ) n 路d o h e r t y 放大器 1 6 - 2 4 】 电子科技大学硕士学位论文 路d o h e r t y 放大器的原理是采用一个主放大器、一1 个辅助放大器的结构。 路d o h e r t y 放大器和对称型d o h e r t y 放大器相比，在回退功率与峰值功率之间的 效率要高的多。 ( 4 ) 将开关功放的概念运用到d o h e r t y 放大器中 2 5 - 3 2 】 由于第三代半导体器件g a n 在功率器件中的巨大优势，开关功放的研究成为 热点。而将开关功放谐波控制的概念引入到d o h e r t y 结构中，可以提高单管在饱和 功率点的效率的同时，进一步提高d o h e r t y 功率放大器的效率。 ( 5 ) d o h e r t y 放大器和数字控制电路的结合 3 3 - 4 5 】 传统的d o h e r t y 结构功率放大器，由于辅助放大器低的偏置点，无法提供最大 的输出功率，使得双路负载阻抗不能被完全的调制。因此，文献【3 3 】引入了 栅压控制电路，来解决这个问题。 另外一种放大器是用数字电路控制输入功率的大小。在低功率工作下，辅助放 大器未打开，主放大器承受了大部分的输入功率。在大功率工作下，辅助放大器 的输入功率增大，以弥补此时处于饱和状态时的主放大器的功率输出能力。 包络跟踪和数字预失真在d o h e r t y 放大器中的运用也是研究的热点。包络跟踪 可以进一步的提高效率，而数字预失真是通过在功放的输出端耦合出的信号和功 放输入端的信号进行对比，从而得到功率放大器的相位和幅度的失真信息，在基 带信号中加以矫正，从而解决d o h e r t y 放大器产生的非线性失真的问题。在商用的 d o h e r t y 放大器中，数字预失真的线性化方案得到了广泛的应用。 1 3 论文的主要工作和结构安排 本课题以d o h e r t y 功率放大器作为研究对象，从理论上推导- f d o h e r t y 放大器 的原理，以仿真结果和实物调试的结果，从不同的角度分析了d o h e r t y 放大器对 增益、效率、功率和线性度等指标的影响。 论文结构如下： 第一章：介绍了通信系统对功率放大器的要求，以及d o h e r t y 功率放大器的研 究方向 第二章：从理论上推导了d o h e r t y 功率放大器的原理 第三章：d o h e r t y 功率放大器系统的仿真与设计 第四章：d o h e r t y 功率放大器系统的实物调试和测试结果 第五章：介绍了第三代半导体g a n 的特点，以及其运用于功率器件的优势， 2 第一章引言 与l d m o s 器件比较，采用n i t r o n e x 公司的n p t 2 5 1 0 0 的模型仿真，对仿真 数据进行对比分析和总结，提出了一种提高功率放大器效率的方法。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章d o h e r t y 放大器的理论推导 2 1d o h e r t y 放大器介绍 d o h e r 纱放大器的主功放工作在a b 类或者召类工作状态。辅助功放工作在c 类状态。在低功率输入时，辅助放大器没有打开，由主放大器提供功率的输出。 在高功率输入时，辅助放大器打开。主、辅助放大器一起提供功率的输出能力。 而d o h e r 纱放大器在回退功率的时候，仍然可以获得高的效率。 2 2 负载牵引理论 图2 - 1d o h e r t y 结构框图 ： ：哇玉魄l “ ，。，。! ，l ：- 一j 。；一，：一 图2 - 2 负载牵引框图 4 第二章d o h e r t y 功率放大器的理论推导 负载牵引理论的框图如上所示。 当电流源g e n 2 的电流为零时，对电流源g e n l 开路，此时g e n l 的负载值为r 。 当电流源g e n 2 的电流不为零的时候，负载尺上的电动势差为： v = ( 厶+ 厶) r 从而得到电流源g e n l 的等效负载为： z l = v 厶= 半 同样的道理，电流源g e n 2 的负载为 z ：= v 厶= 半 公式( 2 - 1 ) 公式( 2 - 2 ) 公式( 2 - 3 ) 两个电流源的负载阻抗会由于另一个电流源输出电流的变化而变化，即受 到了另一个电流源的牵引。这种现象就是有源负载牵引。 从射频晶体管的等效电流可以看出，图中的电流源就是晶体管跨导的实际表 征。d o h e r t y 放大器正是利用了这一技术。 2 3 主、辅助功放的负载阻抗变化规律 图2 - 3 主、辅助功放的等效电路 如上图所示，主放大器用电流源尼代替，辅助放大器用电流源勿代替。 当输入功率较小的时候，辅助放大器未导通，主放大器的负载阻抗为乏乙。 当输入功率逐渐增大的时候，辅助放大器开始工作，主放大器的阻抗经过四分之 一波长的传输线，变换后的阻抗的表达式为： 电子科技大学硕士学位论文 乏= 芝= 譬竽 邓+ 铷 又因为z ；= z c z ：， 得到如下的负载阻抗表达式 z c = z ； 乏 z ； ( 1 + 孕) 乙 i c 公式( 2 - 4 ) 公式( 2 5 ) 公式( 2 6 ) 辅助放大器的负载阻抗推导方法同上，其打开的时候，负载阻抗为 驴2 半 蛾2 忉 卸+ 舡 所以，d o h e r t y 放大器中主、辅助功率放大器的负载阻抗为： z c 2 互，o兄。z7 珥o n 阜，只。 只 己嘲 ( 1 + 笋) 乙 l，0 己 只。 z p 2 1 ( 1 + ) 乙，已 己 最一 又因为圪之= 名t ，召= z c 乏= 巧毛t ，所以： t = 芝 z 矗1 + 簪) 乙 6 公式( 2 - 8 ) 公式( 2 - 9 ) 公式( 2 - 1 0 ) 公式( 2 - 1 1 ) 第二章d o h e r t y 功率放大器的理论推导 一z c - 专z 22 南2 又因为= i c z c ，所以得到： 忙萍 公式( 2 - 1 2 ) 公式( 2 - 1 3 ) 在经典的d o h e r t y 功率放大器中，在功率回退6 d 啪范围内，此时的主放大器一 直处于饱和的状态，此时的圪应该为最大值圪。 理想的d o h e r t y 放大器中主、辅助功率放大器的电流电压特性曲线如下图所 示。其中k 表示d o h e r t y 放大器的最大输出电流： v 一m 主功效输出电压 辅助功放输出电菠 一一主功效辘出电漉 图2 4d o h e r t y 放大器电流电压特性曲线 辅助功率放大器的电流电压特性曲线如下图所，z 表示，0 以 1 。没有功率回 退的时候，z = 1 。6 d b 功率回退的时候，z = 0 。则此时两个放大器的电流表达式如 下： 七= 等( 1 州 l = 等，z 等( 1 + 啦毛 刺肾亳( 1 j r n i m 盖z r l ) z z 公式( 2 - 1 4 ) 公式( 2 - 1 5 ) 公式( 2 - 1 6 ) 电子科技大学硕士学位论文 = 簪( 磊州乞- 2 驯 公式( 2 1 7 ) 又因为，在功率回退的范围内，主功率放大器处在饱和的状态，输出电压为 最大值圪。所以c 与n 无关。因此： 乙= 争 综上所示，可以得到下面的表达式： z c = 笔，o 最 已 辜：二弓l ，只。 己 圪一 ( 1 r 乞) j ? l ( 1 r ) 1 。“1 “。1 1 “删“ i，0 最 p o 驴1 ( 1 + 争每昭圪 k 2 4d o h e r t y 放大器的效率 2 4 1 传输线耦合器 公式( 2 - 1 8 ) 公式( 2 - 1 9 ) 公式( 2 2 0 ) 图2 - 5 传输线示意图 8 兰兰望生坚塑翌! 堂墼奎墨塑塑笙丝量 根据四分之一波长传输线的理论【2 】， 墨恐= 砭。 根据无耗传输线功率守恒的定义 由：? 属月s = 彤， 【m k 。= 厶瑚巧。 得到： 小南2 乏( 尺1 r 3 ) ，2 “工 心善= 冬= 筹 输出电流i o 。是两个电流之和，：。+ 厶。 而且s ：生 i 口m e o2 爿+ 昱 置= 华= 配 置= 毕_ ( 1 一5 | ) p o 从传输线耦合器的输出端看到的阻抗为： 尼：堡：堡：鱼 ：1 3 ms i q m s 同理 r ：鱼 2 4 2 低功率状态分析 公式( 2 2 1 ) 公式( 2 - 2 2 ) 公式( 2 2 3 ) 公式( 2 2 4 ) 公式( 2 - 2 5 ) 公式( 2 2 6 ) 公式( 2 2 7 ) 公式( 2 - 2 8 ) 公式( 2 2 9 ) 公式( 2 - 3 0 ) 在低功率输入时，截止，以。当成线性电流源工作。此时有 墨= r ：r o = r 屈2 公式( 2 3 1 ) t 2 = r l 纽。吐j 晓2 9 公式( 2 - 3 2 ) 而以，在圪m ：口时出现饱和，此时的输出电流为 小等= 等 理想的b 类放大器的工作电流和效率的表达式如下所示： 耻万i l m = 要等 吃( 2 r 吖一 俨酉而瓦丽 公式( 2 3 4 ) 公式( 2 3 5 ) ：至里：三生 公式( 2 3 6 ) 4 口4v o m p e p 2 4 3 中功率状态分析 当输出功率为中功率的时候，刚。处于饱和状态，剐：按线性电流源工作 r ，：堕：盟 公式( 2 3 7 ) ” rr 应当指出，辨在中功率输入的范围内是常数。要产生输出电压m ，必须由 p a ：供给的职电流为： ，2 。；i ( i mj 3 。：下v o m - - a v d d 公式( 2 3 8 ) 此时的电压变换比为z = ，所以 k 寺= 等 此时的总功耗为： j 出= ，出。+ 屯：= 昙塑! ! 学 公式( 2 3 9 ) 公式( 2 4 0 ) 2 4 4 峰值功率状态分析 在大功率输入的时候，两个放大器都处于饱和的状态。则以2 的峰值输出电 1 0 公式( 2 4 1 ) 第二章d o h e r t y 功率放大器的理论推导 另外有。= ， 令。= ，因此丁= 1 。可得： r l ：r 3 ：r ：r _ a _ o 式中口是在峰值功率时的功率分配比。 当口= 1 2 ，n i i t r 工= 2 r o ，这就是经典的d d 已砂功率放大器。 此时的输出电流为，。= 等，因此功率放大器的输出电流为 j i 。= 1 3 。= a i o 。和1 2 。= ( 1 一口) ，o 。 所以直流功耗为： 。i d 。1 + i d c 2 = 二2f l = f v o o + 半 _ 等 因此，可以得到如下的效率的表达式： ，：堕丝型：三 ( 2 n - ) ( yd d | r q ) 4 2 4 5 合成结果 输出功率的表达式如下： 异= 鼍 放大器产生的电流为： 屯= 等 f0 , 0 v o 。口y ，d d 厶”_ 1 与竽此 吣 盲流电流的表沃式如- 6 ： 公式( 2 - 4 2 ) 公式( 2 - 4 3 ) 公式( 2 - 4 4 ) 公式( 2 4 5 ) 公式( 2 - 4 6 ) 公式( 2 - 4 7 ) 公式( 2 - 4 8 ) 公式( 2 4 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 i 出= 三孥，o _ v o 撼口 冗氏。 mw 。 2 ( 1 + 口) v o 。一口y 品 ，口 p o 。 公式( 2 - 5 3 ) n 路, d o h e r t y 放大器是采用一个主放大器、一1 个辅助放大器的结构。路 d o h e r t y 放大器和对称型d o h e r t y 方案相比，在回退功率与峰值功率之间的效率要 高的多。理想的型d o h e r t y 放大器的效率的表达式如下所示： 1 2 第二章d o h e r t y 功率放大器的理论推导 叩2 冗o 4 万 _ 一 4 ( 且) 2 1 璺坚 ( + 1 ) ( 旦) 0 v 0 等 导 v o 享丑。l( 丑l 勿 + s ) 图谐波控制网络【2 7 1 第二章d o h e r t y 功率放大器的理论推导 2 r i d h c c 乙3 f o j o p , m硪。z 昭 图2 - 9 输出网络 2 7 1 下面的推导基于这样的假设： ( 1 ) 每一个电流源和输出的电压成线性比例的关系 ( 2 ) 电流的波形取决于每一个放大器的偏置点 ( 3 ) 电压的波形取决于基波和三次谐波成分 ( 4 ) 最平坦的电压波形是通过基波和三次谐波成分的1 9 的幅度比和1 8 0 度的 相位差实现的1 4 6 - 4 7 ( 5 ) 晶体管输出电容足够小，可以控制谐波的成分 ( 6 ) d o h e r t y 功率放大器可以通过不等分的功率驱动来牵引负载的阻抗【1 1 1 由于电流和电压波形分别表现为半正弦波和方波，可以得到【4 6 】： ，m a x = ( 1 2 ) o i 公式( 2 5 5 ) k ，m a x = ( 9 8 ) c 公式( 2 5 6 ) 在低功率工作时， 0 v a a - n 。，主放大器工作，它的基波电流和直流电流表达如下： 乞= 厶，。萨) 公式( 2 - 5 7 ) i d c , c - 丘，。( 芦 公式( 2 5 8 ) 15 电子科技大学硕士学位论文 其中， 厶，c = ( 1 2 ) f 础 屯。= ( 1 石) f 砷吐 为了研究饱和型d o h e r t y 放大器的负载调制效应，我们令 z ，= r o p , zl = ( 1 2 ) k 则主放大器的负载阻抗为 7 z c 2 詈2 其中= 詈( 等 公式( 2 5 9 ) 公式( 2 6 0 ) 公式( 2 6 1 ) 公式( 2 - 6 2 ) 公式( 2 6 3 ) 公式( 2 6 4 ) 根据最平坦电压波形的理论，基波电压成分的阻抗是口类放大器的( 9 8 ) 倍。 因此，每一个放大器的负载阻抗都应该是原先1 拘( 9 8 ) 倍。 在高功率工作的时候，。 。两个放大器都导通了。辅助放大器 的基波和直流电流可以表示如下： 盯：笠一 j 1 c ( 1 一l i f ，) i , - - - - 0 厶，尸萨训 i o cp ：叽p ( 一 f ，) ，叽，p ( 产一 f ，) 其中， = 堡唑 7 y 。= 篆c 羔高， i , c ，p = i z m 石a x ( 型篙茅产， 吃代表了辅助放大器的偏置点的导通角， 1 6 公式( 2 6 5 ) 公式( 2 6 6 ) 公式( 2 6 7 ) 公式( 2 6 8 ) 公式( 2 - 6 9 ) 公式( 2 - 7 0 ) 盯代表了不等分功率的比值。由于 第二章d o h e r t y 功率放大器的理论推导 主放大器和可以表示如下： z c = 赢 z p = z l ( i + i c | 10 公式( 2 - 7 1 ) 公式( 2 - 7 2 ) 主放大器的负载阻抗由2 变换到r o p t ，的负载阻抗由变换到r o p t ，同时保 证二次谐波的短路和三次谐波的开路。 2 5 3 2 饱和型d o h e r t y 放大器的饱和区和效率的分析 饱和区和未饱和区可以用基波和三次谐波的电压分量的幅度比和相位差来 界定【2 7 1 。幅度比和相位差的表达式如下： v ( t ) = v d c + v 1c o s ( c o t + c , ) + 圪c o s ( 3 c o t + c p 3 ) = c + kc o s ( e 1 ) + 圪c o s ( 0 3 ) 口= 吲 = 只一岛 公式( 2 - 7 3 ) 公式( 2 - 7 4 ) 公式( 2 - 7 5 ) 其中，巧和巧代表基波和三次谐波电压的幅度分量，q 和岛代表相位分量。 在低功率时，饱和区应满足半正弦波的电流波形和最大平坦度的电压波形的要求。 根据前面的假设，效率可以通过基波和直流成分来计算。 在低功翠时，0 d 。，射频和直流功翠的表达式如f ： = ( 1 2 ) i 昙z c = ( 1 2 ) 1 2 , c ( 产) 2 2 z o 吐c ( 卷) 2 ( 争 p d c = id c d c = 乞，c 芦 令。= ( 1 2 ) v 蚴, 可以得到，效率的表达式如下： 公式( 2 - 7 6 ) 公式( 2 - 7