基于高锋均比信号的高级doherty架构的研究

NRPAE

由于现在调制信号的PAR越来越高，在固定输出平均功率的情况下势必峰值功率就越来越高，有的应用甚至要60dBm的峰值功率，另一方面回退同时也越来越多，因此传统的对称和非对称两路doherty不能适应需求了。最近在研究各种高级doherty架构的优势和区别。正好最近拜读了一篇IEEE文章对此做了详细的分析，这里我发个简单的帖子写写俺的心得，供大家批评指正：
1，        N-way Doherty:
对于N way，我个人觉得大于3路就不适用了，因此这里来研究下3路。先来说说3路 Doherty的定义吧。 如下图，为了简化分析，3个功放管都是一样的Q1，因此看出其实这个3路就是一个1：2的非对称架构。
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NRPAE

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频率从869mhz到894mhz，测试信号单载波WCDMA，P3dB=52.7dBm，从下图可见回退8dB处 Eff(@44.7dBm)=51.5%到52.4%。管子还只是某公司的第六代LDMOS。
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NRPAE

1，其实一直以来我就困惑应该怎么称呼非对称的3路和区别于非对称的3路，但是看了文献才知道因为有3个极点所以称为“3阶”英文叫为“3-stage doherty”，在这个特定环境下应该不会和多级放大器混淆，反过来说对于非对称的3路或者N路，其实都是2阶而已。另外，我们这里目前只说末级。如果有必要说驱动的话，建议再开一个帖子！
2，对于第二个问题，其实又回到一致性的讨论上了。例子我上面已经举过了。。回到电路上，你说的敏感度问题，1）PCB微带线本身偏差可以做的很小，所以这个不是问题；2）因为采用的一样的管子，只要设计成功一个板子，复制不会有问题。说道这里不得不提如果采用不一样的管子，我一直担心 的问题：不一样的管子是完全不相关的，因此LDMOS产线在一个管子上的离散性会放大一倍，比如一个管子的插入相位离散是-10到10度的话，那么两个不一样的管子的插入相位相差有可能最大到-20到20度，其实这才会变成问题。因此无疑这是3阶1：1：1doherty和3路1：2的优点。其实在帖子的前面部分已经有3阶1:1:1doherty的demo和效率曲线了，但那是韩国人做到，下面我借用朋友做的3阶1：1：1doherty的demo和测试曲线在这里献丑了。

piero

3 way Doherty

piero

3 way Doherty

piero

sorry 不会贴图 看附件吧。

piero

NRPAE了解的很全面

谈一下我的个人理解，你在文中提出的3 stage实则应该是3 way。3 stage应该指信号从RF input到RF output经过了三级放大，而3 way就是像你所列举的RF input到RF output有三条通道。目前从功放的高效设计角度来看，集中点都是在N-way上面。N-stage也有，不过那是把末级Doherty和驱动有效结合的方法，和通常我们单独考虑的末级Doherty不一样。

那么再针对文中的设计，从理论上随着输入功率增大Peak 1/2依次打开激活确实能够得到多个效率极点。但是输出合路部分那么多的offset / quarter wavelength确使人感觉参数敏感度大。不知NRPAE有无Demo或ADS Model来展示下性能？

我认为下面这种3 way Doherty具有更好的可实现性，IEEE文献有介绍，有Demo数据。（贴图不知能不能成功）

D:\3 way Doherty

xyzsyc

图没错，电流如果是线性增长，那么前两个效率峰值点就不会出现了。

NRPAE

谢谢ls的问题，说明ls看懂了，遇到个讨论问题的不容易啊！

1，关于尺寸，以前我见过某LDMOS功放管供应商的3 stage doherty demo，其输出端尺寸是可以接受的。所以个人觉得这个不是问题。


2，我说的5%是在回退功率从-9.5dB到0dB内的一个typical的值，此外这个效率是PAE，你可以比较回退8dB处，一个是47%，一个52.5%。

3，这个你是对的，我搞错了，我应该把1：2：2的图贴上来。我要去改下。


4，该文不是出自Cree，出自韩国研究机构，韩国政府出钱支持的研究项目，可见韩国对这个的重视！！不得不感慨！！另外，那个效率曲线图源于小功率的LDMOS器件，不是GaN。因此效率才这么高，我估计如果用大功率LDMOS器件的话，差别可能会更大，因为小功率器件做的doherty本来效率就很高了，要再提升不容易。
对于一致性的问题，据我所知国外某设备商已经或者将要大规模量产该形式的3-stage doherty。至少说明已经小批量试过，一致性不是问题。

感慨一下：我觉得我们需要创新精神，不要总是走在老外后面，老外走过，我们才接着走，此时已经落后一大截了。——（当我自言自语）！

[此贴子已经被作者于2010-10-26 2:38:58编辑过]

piero

NRPAE总结的那么好，多谢指导！

确实有几个问题需要提出来：

1，文中提出的3 stage Doherty 在输出端的合路太过复杂，线太长。尤其是peak1放大器后面接了三段quarter wavelength，这在实际的基站功放板上恐难成行。
2，我没有仔细看你的PAE推导计算过程。但是很明显Doherty的效率不仅取决与其结构，更多的还得靠管子自身的效率指标，比如第五代的LDMOS跟第八代的相比，无论怎么样的doherty结构也做不上去。不知文中59%，61%，提高5%...是如何计算的？
3，“7，三阶1：1：1doherty的另一个优点”中的第一幅图我觉得不对，应该是carrier在饱和的时候电压被钳位而电流则是线性增长的。
4，该文出处是CREE，而CREE是GaN产品出名的，那么这种设计是否基于GaN会比较有效？如果针对LDMOS，个人认为这种结构可实现性不强，它的量产一致性可能会很差。

请解惑，谢谢！

xyzsyc

Advanced Doherty Architecture确实是篇好文章，俺也拜读过了啊！[em01]

dqw1002

谢谢楼主，学习中。。。

frmsega

希望以后能跟LZ 讨论更多关于DPA的设计经验！！
顶起

NRPAE

文章写到这里想暂时告一段落，结论已经不言而喻。希望给做大功率基站的朋友算是分享一些心得。也希望高手来批评指正，或者有什么问题联系我。

准备出差的事情去了。还有一堆论文等着写啊!

frmsega

支持LZ！！论坛里需要LZ这么积极的学者。
拜读中

NRPAE

7，三阶1：1：1doherty的另一个优点
先举个100W（Carry）+200W（Peak）的doherty例子，根据经验我们知道：假设doherty的输出平均功率为50W，那么当Carry在3*R0的高阻抗下的P1dB小于50W的时候，虽然效率很高，但是线性无法被矫正，或者很难矫正。即便通过调试使Carry在高阻下的P1dB大于50W，如果余量不够也是不可接受的。原因请看下图（3阶1:2:2doherty），可知Carry在整个回退功率内都工作在了深度饱和区域。
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这也是三路1：2：2doherty的缺点。同时假入你选择用GaN管子设计这种非对称doherty，你还会发现，在这个高饱和区域内GaN栅极将被强制有电流流过。这显然是不能接受的，因此限制了GaN在这种Doherty上的应用。

下面让我们来看看三阶1：1：1doherty的电流随输入信号变化图：
<img src="attachments/dvbbs/2010-10/2010102416431169824.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
可以看出三阶1：1：1doherty完全没有上面说到的问题，在整个回退功率内Carry并没有工作在深度饱和区域内。这是三阶1：1：1doherty区别于其他非对称以及1：2：2，1：3：4等等doherty非常重要的一个优点。

[此贴子已经被作者于2010-10-26 0:58:12编辑过]

NRPAE

LZ,这篇文章我不能公开。另外，这里写的一些东西论文里面已经开始没有了。

NRPAE

未完待续。。。下面将简要介绍三阶1：1：1doherty的另一个比较重要的优点。。

Focus

LZ把原文发出来学习学习啊。。

NRPAE

这里简要的介绍了N-way和3-stage Doherty PA的设计方法以及优缺点。我们通过理论分析比较了各种doherty的效率，也通过实物验证了在高锋均比信号下，3阶1：1：1doherty在宽的输出功率范围内都有着优异的效率表现。
Therefore, the three-stage Doherty PA with gate bias adaptation could be a very good candidate for highly efficient transmitters for base-station applications！！