文章來(lái)源：慧智微電子

原文作者：彭

“效率”在射頻功率放大器（PA）設(shè)計(jì)中占據(jù)舉足輕重的地位。高效率PA設(shè)計(jì)的兩大核心：PA的“Class”設(shè)計(jì)以及功率合成架構(gòu)。然而，在實(shí)際的射頻前端系統(tǒng)中，PA并非孤立存在，而是與整個(gè)系統(tǒng)緊密相連。系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)方案對(duì)PA功耗有著深遠(yuǎn)影響。

當(dāng)單體PA的效率提升至一定極限后，PA廠商、平臺(tái)廠商以及終端系統(tǒng)廠商開(kāi)始將研究焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向包含PA在內(nèi)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。試圖通過(guò)更高層次的系統(tǒng)解決方案，進(jìn)一步突破PA的性能瓶頸。在這一領(lǐng)域，既有大家耳熟能詳?shù)陌j(luò)跟蹤（ET）和數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)，也有相對(duì)陌生的負(fù)載調(diào)制（Load Modulation）和波峰因子減少（CFR）等技術(shù)。

這些技術(shù)究竟是如何神奇地提升PA效率的？未來(lái)又有哪些新技術(shù)可能應(yīng)用于PA效率的提升？本文將試著從系統(tǒng)級(jí)的角度，理解高效率PA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的奧秘。

PA設(shè)計(jì)的雙重挑戰(zhàn)

在PA的單體設(shè)計(jì)中，效率和設(shè)計(jì)所選的“Class”、拓?fù)浼軜?gòu)乃至匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗等諸多因素緊密相連。然而，從系統(tǒng)層面來(lái)看，各種PA的效率曲線(xiàn)都可大致描繪為一根隨功率提升而上升的曲線(xiàn)。簡(jiǎn)而言之，隨著功率的增加，射頻擺幅擴(kuò)大，越來(lái)越多的能量被轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)，因此在高功率狀態(tài)下，PA將直流電轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)的效率達(dá)到最高。

圖：典型的PA效率曲線(xiàn)

盡管不同PA的峰值效率點(diǎn)和功率回退時(shí)的斜率存在差異，但效率隨功率變化的大致趨勢(shì)是固定的。基于這一效率曲線(xiàn)，我們可以得出一個(gè)PA高效率應(yīng)用的基本原則：盡量讓PA工作在接近高功率的狀態(tài)。

然而，這種高效率狀態(tài)并非沒(méi)有代價(jià)。當(dāng)PA越接近高功率飽和區(qū)，其線(xiàn)性度就會(huì)逐漸惡化。典型的增益隨輸出功率變化曲線(xiàn)顯示，在飽和區(qū)，PA增益可能會(huì)出現(xiàn)幾dB甚至十幾dB的壓縮，對(duì)于線(xiàn)性信號(hào)而言，這幾乎使得PA處于不可用狀態(tài)。

圖：典型的PA效率與增益曲線(xiàn)

這一困境該如何應(yīng)對(duì)？這就需要引入“功率回退”（Power-back off）的理念。所謂功率回退，即為了保持輸出信號(hào)的線(xiàn)性度，在使用時(shí)將功率從飽和點(diǎn)適度降低。這意味著為了保證線(xiàn)性度，我們必須犧牲一部分功率輸出，也就犧牲了一部分的效率。

?圖：PA的功率回退使用?

在PA的應(yīng)用中，效率和線(xiàn)性度始終是一對(duì)需要權(quán)衡的因素。這種權(quán)衡體現(xiàn)在多個(gè)方面：

在調(diào)整輸出功率時(shí)，效率隨功率增加而提升，但線(xiàn)性度卻隨之下降；

在進(jìn)行負(fù)載匹配時(shí)，PA的最佳效率點(diǎn)和最佳線(xiàn)性度點(diǎn)往往并不重合；

在選擇供電電壓時(shí)，更高的電壓雖然有利于改善線(xiàn)性度，但也會(huì)降低效率。

因此，在PA設(shè)計(jì)中，如何平衡效率和線(xiàn)性度成為了一個(gè)永恒的挑戰(zhàn)。

改善輸入信號(hào)

使PA在更高效率區(qū)域運(yùn)行

在PA設(shè)計(jì)中，會(huì)致力于擴(kuò)展PA的工作區(qū)域，以獲得更出色的效率表現(xiàn)。例如，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)盡量推遲P1dB點(diǎn)的出現(xiàn)，使PA增益的壓縮盡量延遲，從而讓PA的工作點(diǎn)更接近飽和點(diǎn)，以減少效率損失。

同樣，在不需要極高功率的設(shè)計(jì)中，也可以通過(guò)降低飽和功率的設(shè)計(jì)，也能使PA工作點(diǎn)更加接近飽和功率處的高效區(qū)域。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，也可以采用類(lèi)似的理念來(lái)提升效率。這里，CFR和DPD兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)揮著重要作用。

CFR：降低信號(hào)的峰均比

CFR（Crest Factor
Reduction），即波峰因數(shù)降低技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是一種信號(hào)“削峰”技術(shù)。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)男盘?hào)通常是幅度和相位均帶有信息的編碼信號(hào)，這導(dǎo)致信號(hào)存在較大的峰均比（PAPR）。峰均比越大，意味著信號(hào)中的峰值與均值之間的偏差越大。

為了保證信號(hào)不失真，必須確保信號(hào)的最高功率點(diǎn)不超過(guò)PA的飽和區(qū)。因此，均值功率的工作點(diǎn)需要比飽和功率低至少一個(gè)峰均比。所以，信號(hào)的峰均比越大，需要回退的功率就越多，從而降低PA的效率。

圖：高低兩種峰均比信號(hào)對(duì)PA使用影響對(duì)比

CFR技術(shù)通過(guò)算法處理原始信號(hào)，盡量減少高峰均值信號(hào)的出現(xiàn)，或通過(guò)限幅、削峰等方法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限制。這樣，進(jìn)入PA的信號(hào)就不會(huì)有過(guò)高的峰值，使PA能夠在更高的功率范圍內(nèi)工作，從而提升效率。下圖為經(jīng)過(guò)CFR修改后的信號(hào)與原始信號(hào)對(duì)比圖[1]。

圖：CFR技術(shù)對(duì)信號(hào)峰值的降低

由于OFDM信號(hào)的特性，4G/5G信號(hào)在時(shí)域中具有顯著的峰均比，這使得CFR技術(shù)顯得尤為重要。系統(tǒng)CFR能力的強(qiáng)弱直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。因此，在基站和手機(jī)終端等平臺(tái)中，CFR技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

DPD：校準(zhǔn)PA失真

盡管CFR能夠整形信號(hào)并降低峰均比，但信號(hào)的峰均比始終存在。當(dāng)PA的功率向上提升時(shí)，必然會(huì)遇到線(xiàn)性度惡化的問(wèn)題。此時(shí)，DPD技術(shù)便發(fā)揮作用。

DPD（Digital
Pre-distortion），即數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，其核心理念是讓輸入信號(hào)提前產(chǎn)生一個(gè)與PA相反的失真，以抵消PA引入的失真，工作原理如下圖所示。

圖：DPD的原理

在DPD的幫助下，PA的線(xiàn)性度得到提升。系統(tǒng)也就能容忍更多的PA線(xiàn)性度惡化，從而使其能夠在更高的功率范圍內(nèi)工作，進(jìn)而提高效率。有DPD和沒(méi)有DPD時(shí)，PA可工作的功率區(qū)域如下圖所示。

圖：DPD下，PA工作的功率區(qū)域可以提升

DPD操作完全在數(shù)字域進(jìn)行，無(wú)需對(duì)PA進(jìn)行特殊調(diào)整即可看到效果。然而，DPD并非萬(wàn)能，它也有自身的局限性。DPD的效果強(qiáng)烈依賴(lài)于算法，而移動(dòng)終端由于功耗和算力的限制，無(wú)法支持過(guò)于復(fù)雜的DPD算法。此外，PA的特性會(huì)隨溫度、負(fù)載、偏壓和批次等因素的變化而變化，為了獲得良好的校正效果，DPD需要不斷調(diào)整以適應(yīng)這些變化。同時(shí)，DPD需要與PA進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試和特定開(kāi)發(fā)，以充分發(fā)揮二者的潛力。

盡管有所限制，DPD仍在蜂窩和Wi-Fi等應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。最近Wi-Fi應(yīng)用中較為熱門(mén)的“非線(xiàn)性PA”，就是利用DPD技術(shù)和非線(xiàn)性PA技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)的高效率PA技術(shù)。

無(wú)論是CFR還是DPD，它們都旨在通過(guò)算法降低系統(tǒng)對(duì)PA線(xiàn)性度的要求，從而提升PA的工作功率和效率。這些技術(shù)對(duì)平臺(tái)的算法能力提出了更高的要求。

除了CFR和DPD之外，系統(tǒng)中還采用了另一種方法來(lái)提升PA在回退功率點(diǎn)的效率，即“動(dòng)態(tài)調(diào)制”。這種方法通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，來(lái)優(yōu)化PA的工作效率。

參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)制

動(dòng)態(tài)調(diào)制是指根據(jù)信號(hào)的輸出功率，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)中的某些關(guān)鍵參數(shù)（如供電電壓、供電電流、負(fù)載阻抗等），以達(dá)到優(yōu)化功耗的目的。這種調(diào)制方式要求參數(shù)的變化必須非常迅速，以適應(yīng)信號(hào)輸出的瞬時(shí)變化需求，達(dá)到接近實(shí)時(shí)的狀態(tài)。

以100MHz帶寬的5G NR信號(hào)為例，調(diào)制信號(hào)的變化需要達(dá)到納秒級(jí)別，才能與包絡(luò)信號(hào)的變化保持同步。這樣的速度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了芯片內(nèi)部數(shù)字接口電路的能力范圍。舉例來(lái)說(shuō)，射頻前端標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議MIPI RFFE的最大通信時(shí)鐘頻率為52MHz，發(fā)送一個(gè)完整的MIPI指令需要25個(gè)時(shí)鐘周期，即完成一個(gè)控制轉(zhuǎn)變需要0.48mS。這個(gè)速度比動(dòng)態(tài)調(diào)制所需的切換速度慢了上百倍。

因此，為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)制，通常會(huì)利用模擬控制接口，或者直接利用PA的內(nèi)部特性來(lái)完成。

根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)的不同，動(dòng)態(tài)調(diào)制主要可分為以下三種類(lèi)型：

Vcc動(dòng)態(tài)調(diào)制；

Bias動(dòng)態(tài)調(diào)制；

負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)制。

這些調(diào)制方式能夠更有效地管理功耗，尤其是功率回退時(shí)的功耗，提升系統(tǒng)的整體效率。

Vcc動(dòng)態(tài)調(diào)制：

供電電壓的靈活調(diào)整。Vcc動(dòng)態(tài)調(diào)制的核心思想在于，使PA的供電電源能夠隨信號(hào)幅度的變化而靈活調(diào)整，而非保持固定值。這種動(dòng)態(tài)調(diào)整有助于顯著提高PA效率，減少不必要的能量損耗。

圖：固定電壓供電及動(dòng)態(tài)變化電壓供電

上圖是Vcc動(dòng)態(tài)調(diào)制的基本原理。對(duì)于高峰均比信號(hào)，其幅度隨時(shí)間快速變化。若采用固定電壓供電，將會(huì)導(dǎo)致顯著的能量浪費(fèi)。而通過(guò)使電源電壓跟隨信號(hào)幅度變化，可以實(shí)時(shí)優(yōu)化能耗。

實(shí)現(xiàn)Vcc動(dòng)態(tài)調(diào)制的兩種主要技術(shù)是EER（Envelope Elimination and Restoration，包絡(luò)消除與恢復(fù)）和ET（Envelope Tracking，包絡(luò)跟蹤）。

EER技術(shù)

EER技術(shù)由Kahn教授于1952年提出，其基本原理是將輸入信號(hào)分解為兩部分處理[2]。其基本架構(gòu)如下圖所示。

圖：EER PA系統(tǒng)架構(gòu)

在EER架構(gòu)中，一路信號(hào)忽略包絡(luò)信息，直接傳輸至工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的PA，從而實(shí)現(xiàn)高效放大。這一過(guò)程中，包絡(luò)信息被主動(dòng)消除，故稱(chēng)“包絡(luò)消除”通路。

另一路則負(fù)責(zé)“包絡(luò)恢復(fù)”。首先，通過(guò)包絡(luò)檢測(cè)電路提取包絡(luò)信號(hào)，然后輸入包絡(luò)調(diào)制器。輸出的包絡(luò)信號(hào)用作飽和PA的動(dòng)態(tài)供電電源，既實(shí)現(xiàn)了電源的動(dòng)態(tài)調(diào)制，又完成了包絡(luò)的恢復(fù)。

EER電路的優(yōu)點(diǎn)在于巧妙地將包絡(luò)信號(hào)和載波信號(hào)分離處理，使得兩個(gè)通路各司其職，互不干擾，從而提高了系統(tǒng)效率。然而，它也存在一些缺點(diǎn)：

由于信號(hào)的幅度和相位信息被拆分，因此需要精確對(duì)齊兩個(gè)通路以確保信號(hào)的完整恢復(fù)。

EER過(guò)程中存在幅度消除和恢復(fù)兩個(gè)環(huán)節(jié)，若處理不當(dāng)可能導(dǎo)致信號(hào)失真。

本質(zhì)上，EER相當(dāng)于包絡(luò)信號(hào)與高頻恒包絡(luò)信號(hào)的混頻，可能引發(fā)頻譜擴(kuò)展問(wèn)題。

鑒于EER技術(shù)的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，另一種更為簡(jiǎn)潔的PA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——ET技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

ET技術(shù)

ET，即包絡(luò)跟蹤技術(shù)，其核心理念是“跟蹤”信號(hào)所需的電源幅度，并為PA提供相應(yīng)電源。這樣既節(jié)省了功耗，又避免了EER技術(shù)中復(fù)雜的信號(hào)拆分與對(duì)齊過(guò)程。結(jié)合ET技術(shù)，可以顯著提升系統(tǒng)整體效率。ET系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。

圖：ET PA系統(tǒng)架構(gòu)

然而，ET技術(shù)的性能高度依賴(lài)于ET
Modulator的表現(xiàn)。為了輸出大帶寬（100MHz及以上）、大電流（2A及以上）的包絡(luò)信號(hào)，并保持高轉(zhuǎn)換效率，ET調(diào)制器的設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著帶寬和電流能力的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高效率變得愈發(fā)困難。

在5G應(yīng)用中，即使信號(hào)帶寬維持在100MHz，ET調(diào)制器的轉(zhuǎn)換效率通常也僅約80%，意味著存在20%左右的能量損失。因此，ET PA系統(tǒng)的收益必須足以彌補(bǔ)這部分能量損失才能實(shí)現(xiàn)整體收益。隨著未來(lái)信號(hào)帶寬的不斷增加，ET調(diào)制器的設(shè)計(jì)難度將進(jìn)一步上升。

Bias的動(dòng)態(tài)調(diào)制

除了對(duì)供電電壓Vcc進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制外，PA的偏置電流，即Bias，同樣可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制以?xún)?yōu)化性能。

Saleh教授等人在1983年的一篇文章中，提出了一種創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)提升PA的效率[3]。該架構(gòu)的核心在于，通過(guò)提取輸入信號(hào)的包絡(luò)來(lái)控制PA的Bias，使Bias能夠隨輸入信號(hào)包絡(luò)的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。這種調(diào)整方式目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)PA效率的最優(yōu)化。

圖：Saleh教授等于1983年提出的Bias調(diào)制PA架構(gòu)

在現(xiàn)代PA設(shè)計(jì)中，“動(dòng)態(tài)偏置”特性被巧妙地融入Bias電路的設(shè)計(jì)中，以提升效率并優(yōu)化線(xiàn)性度。

以HBT PA為例，利用其偏置電壓Vb與Ic電流之間的指數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)師們可確保偏置中心點(diǎn)Vb的盡量穩(wěn)定。這時(shí)當(dāng)大信號(hào)輸入時(shí)，Ic電流會(huì)自動(dòng)增加，其工作原理如下圖所示。這種設(shè)計(jì)使得在大功率時(shí)提升Ic電流，而在小功率時(shí)減少I(mǎi)c電流，從而實(shí)現(xiàn)了高效的動(dòng)態(tài)調(diào)制[4]。

圖：電流的動(dòng)態(tài)調(diào)制效應(yīng)

負(fù)載的動(dòng)態(tài)調(diào)制

除了電壓和電流的動(dòng)態(tài)調(diào)制外，還存在一種獨(dú)特的調(diào)制技術(shù)，即負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)制（Load
Modulation）。PA的負(fù)載線(xiàn)（Load-line）在PA設(shè)計(jì)中占據(jù)至關(guān)重要的地位。負(fù)載線(xiàn)的高低直接影響著PA輸出功率的大小。

為了達(dá)到理想的輸出功率，PA的負(fù)載線(xiàn)通常是根據(jù)最大輸出功率來(lái)設(shè)計(jì)的。然而，這種設(shè)計(jì)在小功率輸出時(shí)顯得并不經(jīng)濟(jì)：此時(shí)PA的工作功率遠(yuǎn)低于其飽和功率。根據(jù)先前關(guān)于PA特性的討論，我們知道當(dāng)PA的工作功率遠(yuǎn)離飽和功率時(shí)，其效率會(huì)顯著降低。

盡管可以通過(guò)降低Vcc電壓來(lái)減少功率浪費(fèi)，并降低輸出的飽和功率以提升PA在小功率輸出時(shí)的效率，但這種方法需要依賴(lài)ET技術(shù)。然而，ET調(diào)制器的成本相對(duì)較高，并且其在大帶寬下的效率是設(shè)計(jì)中的一大難題。

在這種情況下，對(duì)于小功率輸出的場(chǎng)景，我們可以利用負(fù)載線(xiàn)的特性來(lái)降低輸出飽和功率，從而提高效率。放大器的輸出功率與供電電壓成正比，與負(fù)載阻抗成反比。在供電電壓固定的情況下，可以通過(guò)增加放大器輸出負(fù)載的方式來(lái)降低PA的飽和輸出功率，從而提升小功率輸出點(diǎn)的效率。這正是負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)制的核心理念。

在實(shí)施方面，負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)制主要采用以下幾種方法：

通過(guò)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；

利用Doherty架構(gòu)實(shí)現(xiàn)；

借助Out-phasing架構(gòu)實(shí)現(xiàn)；

采用Load Modulation Balance PA架構(gòu)。

可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)方法的核心在于，在PA的匹配網(wǎng)絡(luò)中融入可由包絡(luò)信號(hào)控制的可調(diào)無(wú)源器件。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，這種匹配網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載阻抗隨功率的特定變化。以下是Kenlen Chen教授于2012年所發(fā)表論文中展示的架構(gòu)圖[5]。

圖：可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)示意

此方法的直觀性和易于理解性是其顯著優(yōu)點(diǎn)。不同功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的阻抗，設(shè)計(jì)師只需通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的控制信號(hào)設(shè)計(jì)到相應(yīng)的目標(biāo)阻抗，便可實(shí)現(xiàn)阻抗的特定轉(zhuǎn)換。

然而，這種方法也存在局限性。其可控范圍有限，且受限于匹配網(wǎng)絡(luò)的固有特性，目標(biāo)阻抗可能無(wú)法完全符合預(yù)期變化。此外，尋找滿(mǎn)足低插損、高集成度、大范圍調(diào)節(jié)和快速響應(yīng)的可調(diào)器件也是不小的挑戰(zhàn)。

因此，多種等效負(fù)載阻抗調(diào)諧方法應(yīng)運(yùn)而生。在這些方法中，負(fù)載阻抗并非真正被調(diào)節(jié)，而是通過(guò)電路等效方式使其發(fā)生變化，從而達(dá)到相應(yīng)改變PA特性的目的。其中，Doherty、Out-phasing和Load Modulation Balance PA三種實(shí)現(xiàn)方案尤為突出。

Doherty架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

從負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)制的系統(tǒng)角度來(lái)看，仍有必要重新審視Doherty PA。深入理解Doherty PA中的動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)制效應(yīng)，將有助于更好地理解其他兩種負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)制架構(gòu)。

Doherty PA由兩個(gè)PA組成，但它們并非簡(jiǎn)單合成。通過(guò)對(duì)兩個(gè)PA進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，其工作原理可簡(jiǎn)化為下圖所示[6]。

圖：Doherty PA的簡(jiǎn)化電路

在此圖中，左右兩個(gè)電源分別代表Doherty PA中的Carrier和Peaking兩個(gè)PA。左側(cè)的Carrier PA通過(guò)阻抗變換被設(shè)計(jì)為等效電壓源，而右側(cè)的Peaking PA則設(shè)計(jì)為等效電流源。這兩個(gè)PA共同作用于同一個(gè)負(fù)載阻抗R上。

由于負(fù)載R直接連接在電壓源V1兩端，因此R兩端的電壓即為V1。根據(jù)歐姆定律，流過(guò)R的電流為V1/R。

值得注意的是，雖然電壓源為電阻R提供電壓，但它并不能控制其流向電阻R的電流。因?yàn)镽上的電流由兩部分組成：一部分是電流源I2強(qiáng)制輸出的電流，另一部分是向電壓源請(qǐng)求的電流。電流源I2會(huì)強(qiáng)制輸出一個(gè)電流I2，因此電阻R向V1請(qǐng)求的電流僅為V1/R-I2。

對(duì)于電壓源V1而言，其輸出電流的大小會(huì)受到另一個(gè)電流源I2的影響。根據(jù)V1輸出的電壓和電流，我們可以計(jì)算出電壓源V1看到的等效阻抗為RLoad=V1/(V1/R-I2)。

從上述公式中可以看出，V1看到的阻抗會(huì)隨著I2輸出的大小而變化，仿佛V1的負(fù)載阻抗被外部控制了一樣。這就是動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)制效應(yīng)。

在Doherty PA設(shè)計(jì)中，正是利用了這種效應(yīng)。通過(guò)Peaking PA的開(kāi)啟與關(guān)閉，可以控制Carrier PA看到的阻抗變化。通過(guò)匹配轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，當(dāng)Peaking PA開(kāi)啟時(shí)，Carrier PA看到的阻抗降低，從而提升PA的輸出功率以實(shí)現(xiàn)高功率輸出；同時(shí)，當(dāng)關(guān)閉Peaking PA時(shí)，Carrier PA看到的阻抗提升，此時(shí)PA的輸出功率降低，換回了較高的效率。

通過(guò)這種方式，Doherty PA通過(guò)負(fù)載線(xiàn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)了高功率和高效率的兼顧。以下為Doherty PA的完整實(shí)現(xiàn)架構(gòu)以及典型的效率特性曲線(xiàn)圖。

圖：完整的Doherty PA電路

圖：理想的Doherty PA效率曲線(xiàn)

盡管Doherty PA在高功率和效率方面表現(xiàn)出色，但它也存在一些明顯的缺點(diǎn)。首先，兩路PA在切換時(shí)會(huì)影響線(xiàn)性度，因此通常需要與DPD技術(shù)結(jié)合使用；其次，Doherty PA利用了大量的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓源和電流源的等效變換，這些網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)窄帶特性限制了Doherty PA的帶寬；最后，Doherty PA對(duì)負(fù)載變化較為敏感，需要相對(duì)固定的PA輸出阻抗。

在過(guò)去幾十年的發(fā)展中，Doherty PA在基站中得到了廣泛應(yīng)用。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，有強(qiáng)大的DPD支持、只需針對(duì)特定運(yùn)營(yíng)商的較窄頻段設(shè)計(jì)、負(fù)載相對(duì)固定（如固定天線(xiàn)），這些條件恰好滿(mǎn)足了Doherty PA的系統(tǒng)需求。

近年來(lái)，一些廠商嘗試將Doherty PA應(yīng)用于手機(jī)中。為了適應(yīng)手機(jī)等移動(dòng)終端有限的DPD算力、全球頻段支持和不斷變化的負(fù)載等挑戰(zhàn)，手機(jī)中應(yīng)用的Doherty PA通常會(huì)弱化其Doherty特性。這樣一來(lái)，PA就不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境和帶寬過(guò)于敏感。然而，這種設(shè)計(jì)也會(huì)相應(yīng)地削弱Doherty PA對(duì)效率的改善效果。

Out-phasing架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

在理解了Doherty PA架構(gòu)之后，Out-phasing架構(gòu)就變得相對(duì)容易掌握了。

顧名思義，Out-phasing技術(shù)是通過(guò)利用不同“相位”（Phase）的PA來(lái)實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)的。其代表性的架構(gòu)圖如下圖所示[7]。

圖：Out-phasing PA架構(gòu)

與理解Doherty PA類(lèi)似，我們同樣可以將Out-phasing PA簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的等效電路圖如下所示。

圖：Out-phasing PA簡(jiǎn)化電路圖

從圖中可以看出，負(fù)載阻抗RL兩端的電壓隨著兩個(gè)電壓源的相位變化而波動(dòng)，因此流過(guò)RL的電流也會(huì)隨之調(diào)整。

需要注意的是，每個(gè)電壓源所見(jiàn)的等效阻抗并非RL，而是其自身電壓與電流的比值。因此，每個(gè)電源的等效阻抗也隨相位的變化而改變。這意味著，通過(guò)調(diào)控輸入到兩路PA的相位，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路PA負(fù)載阻抗的精準(zhǔn)控制。這也就是利用Out-phasing架構(gòu)，對(duì)負(fù)載進(jìn)行調(diào)制的原理。

Load Modulation Balance PA架構(gòu)

Load Modulation Balance PA（LMBA）是射頻功率放大器領(lǐng)域的杰出專(zhuān)家Cripps在2016年提出的一種創(chuàng)新型架構(gòu)[8]。該架構(gòu)的示意圖如下所示：

圖：LMBA架構(gòu)

LMBA是在傳統(tǒng)Balance PA（BPA）的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造而來(lái)的。與傳統(tǒng)的BPA（通常只有兩路PA進(jìn)行90度合成）不同，LMBA增加了一路PA，Cripps教授將其命名為CSP（控制信號(hào)功率）。CSP信號(hào)被注入到90度合成網(wǎng)絡(luò)的隔離端口中，這一信號(hào)的引入會(huì)影響兩路BPA所見(jiàn)的負(fù)載阻抗。通過(guò)調(diào)整CSP信號(hào)的大小，可以等效地控制BPA的負(fù)載阻抗，進(jìn)而影響PA的輸出功率和效率。

LMBA的獨(dú)到之處在于它將影響負(fù)載阻抗的PA獨(dú)立出來(lái)，并允許通過(guò)單獨(dú)的信號(hào)進(jìn)行控制。這與Doherty PA和Out-phasing PA只能依賴(lài)兩路PA自行調(diào)節(jié)的方式不同，從而極大地便利了負(fù)載調(diào)制PA的應(yīng)用。

基于這一基本架構(gòu)，一些文章已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)Doherty與LMBA結(jié)合、不同類(lèi)別的PA作為CSP
PA的影響等方面的研究。對(duì)此感興趣的同學(xué)可以查閱相關(guān)論文。

總結(jié)

在射頻系統(tǒng)中，PA是主要的能耗器件。為了有效降低PA的功耗，針對(duì)PA的研究也不能只停留在PA單體層面，還應(yīng)更廣泛地從系統(tǒng)角度來(lái)探索解決方案。

從系統(tǒng)角度考慮，優(yōu)化PA效率可能的方案有：

隨著技術(shù)平臺(tái)的不斷進(jìn)步和PA技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，未來(lái)肯定還會(huì)有更多創(chuàng)新的系統(tǒng)級(jí)手段涌現(xiàn)，以進(jìn)一步降低PA的功耗。