利用ADS验证Doherty的理论

Posted 2021-05-29 豆豆学习精

借助华中科技大学大佬的帮助，利用ADS进行Doherty和B类功放性能的对比。
（工程以及公式都是华中科技大哥搞得，我进一步的分析一下。）

一、基本概念介绍

（直接粘自大哥贴）
普通的B类放大器回退效率下降的根本原因是低功率下输出电压的摆幅不够，Steve C. Cripps的《RF Power Amplifiers for Wireless Communications》可以参考。

（一）B类功放

B类功放的导通角为180°，在不考虑膝点电压的情况下，其电压电流表达式为

直流电压和直流电流分别为VDC和Imax/π，基波电压电流的幅度和最优阻抗得出：

饱和状态下，B类功放的基波功率、直流功率以及漏极效率的计算如下：

下面分析功率回退情况下B类功放的效率，晶体管可以当作压控电流源，当输入射频信号的电压幅度减小k倍时，输出信号的基波电流幅度也减小k倍，负载仍然是Ropt

直流电压仍然是VDC，直流电流将缩小k倍，所以直流输出功率变为：

相应的回退效率为：

由此可知，当B类功放的功率回退6dB时，也即k=2；效率会降低为39.25%，只有饱和时的一半，根据上面分析，我们发现，效率下降的原因是直流功率下降了k倍，而基波功率却下降了k^{2倍，倘若在功率回退时降低漏极供电，使直流功率也下降k}2倍，便可以维持效率不变，这就是包络跟踪技术的原理，另一种方法是功率回退时增大负载为kRopt，使基波功率只下降k倍，也可以维持效率不变，这便是Doherty技术的原理。

（二）Doherty 功率放大器

Doherty功放的核心原理是有源负载调制，晶体管可以看作压控电流源，两路放大器的负载受彼此输出电流的调制作用而发生动态变化，如下图，

简单点说，饱和时，两路放大器向合路点看去的阻抗都是Ropt，这时四分之一波长线不起作用（因为其特征阻抗也是Ropt），功率回退点，峰值功放开路，载波功放这边Zc1为1/2Ropt，而载波功放所需要的阻抗Zc是2Ropt（要维持电压的满幅摆动），这时四分之一波长线就起作用了，实现了1/2Ropt与2Ropt的阻抗匹配，所以这根线至关重要。

其中α是峰值电流和载波电流的比值，载波功放通常采用AB类偏置，峰值功放采用C类偏置。

理想情况下的分析都是在B类下进行分析的，因为B类位于阈值电压，导通角为180°的。

二、ADS验证

（一）Doherty电压、电流、阻抗关系变化

两个理想电流源分别代表载波功放和峰值功放，输入输出功率都认为是线性的，两根四分之一波长线为负载调制网络，输出电流的最大幅值imax设置为1A，最优阻抗Ropt设置为50Ohm，所以输出电压的幅值最大为50V，x表示归一化输入电压。

（二）Doherty和B类PA的对比

可以看到Doherty功放从47dBm回退到41dBm，效率仍然是78.5%，中间的凹陷是因为峰值功放在回退区逐渐趋于饱和。

这两张图验证了我们第一部门的理论概念。
在峰值不工作的时候，效率为0 （开启点以前）