一、Doherty功放的基本原理

当今时代调制信号的峰均比越来越大，而传统的放大器在功率回退点的效率很低，无法满足通信电路对效率的要求，doherty就是一种利用负载调制技术提高回退效率的功放。

1.1 传统功放效率分析

下面先看B类功放的电压和电流表达式。在此基础上可以很快算出B类功放的峰值效率是78.5，但是回退效率却很低，原因就是电源功率下降为原来p分之一，但是输出功率下降为原来p平方分之一。

1.2 负载调制技术

在简单讲一下负载调制技术，就是从1端口和2端口看过去的阻抗和另一边的电流大小是有关系的，非常简单。

1.3 Doherty基本原理

有关Doherty的基本理论推导还蛮复杂的，很多硕士论文里面都有对他的推导，我这边就不在推导了，推荐大家看一篇Doherty经典论文，就是下面这一篇文章啦。

我这边就感性的讲一下Dohery的结构，可以看到Doherty功放由载波功放、峰值功放、功分器以及后匹配电路组成。载波功放一直工作，峰值功放在回退点开启。功分器将信号等幅或者不等幅送到两个管子。后匹配电路将50欧姆匹配到ZL1，这个点是功率结合点。那么我们要做的载波功放的输出匹配需要在饱和点将2ZL1匹配到Zc1_1，在回退点将ZL1匹配到Zc1_2(这两个Zc1就是负载牵引得到的啦)。峰值功放只在回退区至饱和区开启，所以只需要在饱和点将2ZL1匹配到负载牵引得到的点。
基本原理和结构就是这样了，更多原理大家可以去参照下一些硕士论文，都挺详细，我这边主要讲ads仿真doherty。

二、Doherty功放的ads验证

为了验证下doherty的性能，我们在ads里面进行验证，首先画出如下的电路，左边是doherty，右边是传统B类。

然后添加如下的控件和公式就可以开始仿真了。

下面左图是Doherty的载波功放、峰值功放以及整体电路的效率曲线，横轴是信号的幅度，可以看到载波功放效率是逐步增大，在回退点达到78.5%。峰值功放这时候开启，然后效率递增。右图是DOhert功放和B类功放的效率随输出功率变化，可以发现在回退区域，doherty功放有更高的效率。

三、ads设计Doherty功放

关于用ads设计doherty功放，我这边大致列出了下面的步骤，有些可能是多余的，但是详细点总没错，接下来可以按照这个步骤设计doherty。

1、dc测试：载波的静态工作点
2、设计目标：频带、输出功率、增益、效率，选隔直电容
3、载波功放稳定性：折中考虑最大增益和稳定性
4、载波功放负载和源牵引：分频带确定饱和和回退的负载和源阻抗
5、载波功放输出和输入匹配的设计：smith圆图
6、载波功放原理图小信号整体仿真结果：优化小信号设计
7、载波功放原理图大信号整体仿真结果：谐波仿真优化效率、功率、增益，兼顾稳定性
8、峰值功放稳定性：折中考虑最大增益和稳定性(有问题的，建议下次设计是不带稳定电路去牵引，
然后匹配时在考虑稳定性的因素 or 稳定网络结合牵引结果)
9、峰值功放负载和源牵引：分频带确定饱和时的负载和源阻抗
10、峰值功放输出和输入匹配的设计：smith圆图
11、峰值功放原理图小信号整体仿真结果：优化小信号设计
12、峰值功放的静态工作点：要在回退点时刚好开启，这个回退根据载波3dB确定
13、峰值功放原理图大信号整体仿真结果：谐波仿真优化效率、功率、增益，兼顾稳定性
14、峰值功放的峰值补偿：S22在开路点附近
15、载波功放的相位补偿：两个功放的电流相位一致
16：后匹配电路的设计：宽带后匹配
17：等功分器的设计：宽带等功分
18：doherty原理图：整体优化
19：doherty版图：结合sm算法优化
20：PCB导出

3.1 管子导入和直流测试

这边第一件事就是要对我们的管子做直流测试，确定静态工作点，我这边用的管子是CGH40010F，需要模型的小伙伴也可以留下邮箱。

看下图，我们的载波功放是一直开启的，因此应该工作在深度的AB类，选择静态工作点如m1和m2，静态电流68mA。栅极电压-3V，漏级电压28V。这边确定静态工作点可以参照我的传统AB类功放设计思路。

3.2 确定目标选取隔直电容

接下来就是确定设计的目标了，主要就是对增益、效率、输出功率、频带有要求，然后确定我们的隔直电容，这里我用的是村田电容，需要模型的同学也可以留下邮箱。

我们选取村田电容大小的原则就是其谐振点在我们设计的频点上，也就是2GHz，然后电容大小是10pF。

3.3 考虑功放的稳定性

下图是功放稳定性的测试电路图，其中加入了RC稳定电阻，这两个值的选取需要结合仿真的稳定系数K以及最大增益。

我们可以看到，最大增益在我们设计频带在17以上，然后稳定系数k在大多数频带都是大于1，小部分频带是小于1，后期可以优化使其大于1。另外还有一点哦，是我仿真发现的，就是你这个稳定电容的值不能乱取，需要结合其对负载牵引结果的影响来确定，不然后面可是很麻烦。具体做法就是选好RC之后把他放到loadpull中和管子一起做牵引，和不加入时的牵引结果做对比，如果影响不大就可以，否则就改变选值。

3.4 载波功放负载和源牵引

下面是第四步了，我们需要对载波功放进行负载和源牵引得到最佳的阻抗。具体步骤是这样子的，下面是我的电路，频带是2GHz，输入功率是29dBm然后进行牵引。

得到我们负载牵引的一个结果图，选择合适的负载牵引阻抗为14.2+j*13.6欧姆。然后把它带入到源牵引中。

源牵引的模板如下，我们把负载牵引的阻抗加到仿真图中如下图所示，然后进行源牵引，之后得到结果。

然后我们选取合适的源阻抗为5.1-j*9.7欧姆，这样子就牵引完了载波功放的峰值阻抗，其饱和效率是74%，饱和输出功率是41.3dBm。

除此之外还没完，我们还需要牵引回退点时候的载波功放的负载阻抗。具体做法是将源阻抗带入到下面的模板，注意回退点的功率是23dBm，这个是怎么来的呢，其实是这样确定的，当输入29dBm的时候我们负载牵引的结果显示最大输出功率是42.64dBm，那么我们逐渐降低输入功率，使其最大输出功率小3dB，也就是39.64dBm左右，这个时候就是回退点了。

就像这张图中所示，然后这时候选择回退点负载阻抗为20.0+j*21.9欧姆。

总结一下：我们通过负载牵引得到了三个在2GHz处的阻抗值。
饱和负载阻抗：14.2+j13.6
回退负载阻抗：20.0+j21.9
源阻抗：5.1-j*9.7
接下来就是做我们的载波功放的输入和输出匹配了。

3.5 载波功放输入和输出匹配设计

载波功放的输入匹配就很简单啦，从50欧姆匹配到5.1-j*9.7欧姆，结合史密斯圆图转一下就可以啦，然后仿真时候记得设置共轭啊。

之后看看我们的结果，S11在-20dB以下，S21在-0.2dB以上，S31在-40dB以下。可以发现，匹配的结果还是挺好的。

下面是载波功放输出匹配的设计，重点来了，因为载波功放需要在饱和点和回退点都满足匹配的要求。也就是下面这两张电路图了，参数都是一样的，也就是第一张电路是饱和状态下实现了从50匹配到14.2+j13.6；第二张电路是回退状态下实现了从25欧姆匹配到20.0+j21.9欧姆，这个25和50是怎么来的呢！参照我上面讲的原理，结合点ZL1的阻抗。

这部分的匹配还是挺难调的，因此我加入了优化控件，设置号参数和优化目标后开始优化，ads自动优化这点我还是挺喜欢的。

好了，我们看一下结果吧，S21两条线都是在-0.3dB以内，损耗较小。S11都是在-30dB以下，匹配的还是可以的。此外S31两条线代表了隔离度，都在-40dB以下，说明射频信号基本不会漏到直流端口。

3.6 载波功放小信号仿真

将输入和输出匹配都设计完成了之后，我们就可以将输入和输出匹配结合起来了，最终的电路如下图所示。

最后我们得到的结果如下图所示，频带是选择1.9-2.1GHz，小信号S11在-10dB以下。增益S21在17dB左右，稳定系数在0-6GHz都是大于1，可见是绝对稳定的。

3.7 载波功放大信号仿真

很多时候，功放的小信号结果并不是关键，我们主要是要看他的大信号结果，并对其进行优化，下图是我们的谐波仿真模板。

我放大一点，主要就是加了端口还有电流表以及电压节点，用来计算功率效率什么的。

编辑我们的公式如下图所示，之后就开始我们的仿真啦！

在谐波仿真之前，我们需要对仿真进行下设置，首先是sweep plan是扫频率，从1,9扫到2.1GHz，然后下图右边是扫载波功放饱和输出时的出入功率和负载阻抗分别是29dBm和50欧姆，回退也类似哈。

下面就是我们的仿真结果了，四张图分别是漏级效率、增益、输出功率以及PAE，红线是饱和输出曲线，蓝线是回退输出曲线，可以看到，效果不是很好，我们对此进行优化。

我添加了下面的优化条件，分别对效率、功率以及增益做了约束来进行优化。

看一下仿真结果，是不是比前一次要好多了，饱和效率在70%以上，回退效率在60%以上；饱和输出功率在41左右，回退输出功率在38左右，差不多相差3dB，这很重要；增益的话饱和在11dB以上，回退在14dB以上。

到此为止，载波功放已经设计好了，接下来会继续讲峰值功放、功分器等的设计。