詳析Doherty功放設(shè)計(jì)之負(fù)載牽引原理(上)
管子是有膝點(diǎn)電壓的。在輸出特性曲線(圖1-3)中,負(fù)載變大后負(fù)載線與輸出特性曲線最左邊的交點(diǎn)會(huì)變小,膝點(diǎn)電壓左移,這樣電壓的擺幅就可以變大了(否則,同樣輸入下會(huì)過(guò)壓)。信號(hào)分布在不大不小均值附近的概率較大,過(guò)大和過(guò)小的信號(hào)發(fā)生的概率比較小。
當(dāng)今世界,通信技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異(準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是人類的欲望日新月異。。。),然而當(dāng)前人類所依賴的無(wú)線通信完全借由無(wú)線電,頻段還大都集中在C頻段以下,相當(dāng)擁擠。那么,為了在有限的頻譜資源內(nèi)增加信息的傳輸量,信號(hào)調(diào)制方式就越來(lái)越復(fù)雜,出現(xiàn)了如64QAM,256QAM等許多非恒包絡(luò)的調(diào)制方式,如此,就導(dǎo)致信號(hào)的峰均比不斷的變大。圖1-1是信號(hào)包絡(luò)瞬時(shí)概率分布與AB類功放瞬時(shí)效率曲線的比較圖(為啥和AB類比較呢?因?yàn)椴惶靡郧盎竟Ψ啪褪沁@個(gè)類型)。
圖1-1 AB類功放包絡(luò)效率與包絡(luò)概率分布
不難看出,信號(hào)分布在不大不小均值附近的概率較大,過(guò)大和過(guò)小的信號(hào)發(fā)生的概率比較小。然而從圖中亦可發(fā)現(xiàn)AB類功放的效率是隨著信號(hào)功率增加而增加的,因此在均值附近功放的效率很低。當(dāng)基站功放采用AB類功放時(shí),常常需要從P-1dB回退6dB左右工作,此時(shí)的效率就會(huì)由50%降到20%(打個(gè)比方,不是確定數(shù)據(jù)),不要小看哦,如果要求輸出額定功率100W,你算算有多少功率發(fā)熱去了。。因此傳統(tǒng)的AB類功放就無(wú)法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)功放效率的要求。因此需要設(shè)計(jì)高效率的功放來(lái)滿足系統(tǒng)對(duì)效率的需求。可能你會(huì)說(shuō)這有何難,用開(kāi)關(guān)類功放?。ū热鏓類),用諧波控制類功放啊(比如F類),理論效率100%啊。但是很不幸,這些高效率功放的線性校正好難,直接把做DPD的搞死了(搞算法的要加油哦。。。),同時(shí)這些高效功放的工作帶寬也不太夠,可靠性也不好。好在天無(wú)絕人之路,值得慶幸的是,早在1936年,W.H.Doherty先生就發(fā)明了Doherty功放架構(gòu)。這種架構(gòu)的功放,在功放回退工作時(shí)可以同時(shí)具有較高的效率和比較好的線性度。這么牛逼的功放架構(gòu)的原理是什么呢,下面就一步步來(lái)解構(gòu)Doherty功放架構(gòu)(下面的講解針對(duì)具有了解功放管工作原理的同學(xué),不知道功放工作原理的同學(xué)請(qǐng)止步,惡補(bǔ)一下基礎(chǔ)知識(shí)先。。。)。
負(fù)載牽引原理在講解Doherty工作原理之前,要先講一下它的命根子---負(fù)載牽引。那么什么是負(fù)載牽引呢?我們都知道功放在工作時(shí)會(huì)有一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)以及負(fù)載線。以偏置在B類的功放管為例,其在固定負(fù)載下意圖如圖1-2所示。
圖1-2 固定負(fù)載示意圖
從圖中可以看出,漏極電流是余弦脈沖,也就是說(shuō)功放沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)壓,工作在欠壓狀態(tài),這個(gè)前提很重要,因?yàn)榇藭r(shí)的效率計(jì)算中,基波電流與直流電流的比已經(jīng)由偏置決定了,功放的效率是與漏極射頻電壓擺幅成正比的(具體解釋寫(xiě)出來(lái)得一大篇,有空再碼)。因此為了得到高效率,功放應(yīng)處于電壓飽和狀態(tài),也就是射頻電壓擺幅要接近漏極電源電壓。圖中幾種不同顏色的信號(hào)代表不同的輸入輸出功率,可以看出輸出功率越小,效率越低(電壓擺幅小)。然而,我們的需求是要在輸入信號(hào)均值區(qū)獲得高的功放效率,也就是說(shuō)要在輸入信號(hào)較小時(shí),電壓的擺幅也能接近漏極電源電壓。這在固定偏置及負(fù)載阻抗的情況下是無(wú)法辦到的。那么現(xiàn)在如果要求偏置狀態(tài)不變,要實(shí)現(xiàn)高效率怎么辦呢?聰明的你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn),能實(shí)現(xiàn)這一目的的方法就是讓功放的負(fù)載變大,讓功放在一個(gè)較小輸出功率電平上達(dá)到電壓飽和,獲得高效率。這就是所謂的負(fù)載調(diào)制。圖1-4是負(fù)載調(diào)制的示意圖。
圖1-3負(fù)載調(diào)制示意圖
從圖可以看出隨著負(fù)載的不斷變大(由藍(lán)色變到綠色),功放漏極電壓擺幅越來(lái)越接近漏極電源電壓,功放的效率越來(lái)越高。通過(guò)選擇合適的負(fù)載阻抗就可以讓功放在輸出均值功率時(shí)具有高效率。
這回就先說(shuō)這么多,有些表述的前提我沒(méi)有提,比如功放的諧波短路條件等等,目的就是先把負(fù)載調(diào)制說(shuō)清楚。其他問(wèn)題和知識(shí)表述不當(dāng)之處請(qǐng)大家提出討論。下一回講下經(jīng)典的兩路對(duì)稱Doherty的具體工作過(guò)程。