認識Doherty Amplifier前你應該先認識什麼是PA負載調變Load Modulation

    每次新款手機推出的時候，都會提到處理器用了最新的架構，什麼2大核4小核，或用上最先進的制程7nm, 5nm, 3nm處理器，但從3G, 4G到5G卻鮮少有手機廣告會說用了什麼”XX架構”功率放大器。

    Doherty功率放大器這個已經存在很久的PA架構，在基地台放大器也經常看到此設計，但在手機功率放大器聽說出現了一顆”X英雄”聽說用了Doherty放大器這架構，頓時讓Doherty功率放大器這架構在PA界又紅又火，每個朋友都在打聽”X英雄”是什麼名頭，Doherty功率放大器是什麼？

    功率放大器從移動通訊從3G, 4G演會到現在的5G，手機愈來愈耗電，除了內部處理器耗電增加外，線性度增加也讓功率放大器效率惡化變成電池殺手主力之一，所以才有人一直不想要從4G更換到5G，或明明是5G手機也不願意開啟5G的功能，為了節省電力射頻功率放大器供電系統也出現了APT (Average Power Tracking)到後面進階ET (Envelope Tracking)省電技術，但功率放大器本身也是不斷的從制程與架構不斷的提升，但進度的幅度沒有這幾年處理器從7nm演化到3nm這麼亮眼，Doherty功率放大器出現在手機的確令人眼睛為之一亮，今天就來淺談此架構的前導技術”負載調製Load Modulation”。

 

被動式負載阻抗 (Passive Load Impedance)

    什麼是阻抗(Impedance)? 簡單的定義就是輸出端或輸入端的電壓與電流的比值ZL=V/I，如下是個簡單共集極放大器結構(Common Emitter Amplifier)，假設電晶體Transistor最大電流Imax 為1A，一般HBT電晶體本身breaking down voltage 10V – 13V之間，抓個餘量Vmax設定在10V，這也是一般HBT功率放大器工作電壓電壓Vdc一般最大就在5V左右，參考功率放大器負載線理論[1]可以算出這顆電晶體最佳負載為Ropt為10Ω，輸出飽和功率為：

P=(1/8)*Ipp^2*Ropt, Ipp=1A, Ropt=10 Ω

計算可得功率P為1.25W或31dBm。

     簡化一下線路圖，假設在RF choke電感與DC block去耦電容夠大，那射頻訊號下RF choke電感會呈現高阻（jwL）也就是往上看不到，DC block去耦電容會呈現低阻(1/jwC)也就是往右變透明，可以把這兩個元件從線路上移除。

    當功率放大器接著一個電阻負載Ropt，輸出電流Iout, 依照歐姆定律輸出端的電壓Vout =-Iout x Ropt，可以計算到輸出阻抗為：

ZL=Vout/-Iout=Ropt…….

這好像跟沒講一樣，輸出連接電阻Ropt那負載ZL不等於Ropt不然會等於其他數值嗎？

主動式負載阻抗 Active Load Impedance

      在被動負載Ropt在加掛一個AUX放大器，同時輸出電流給Ropt，這時候PA看到的負載Zout=Vout/Iout，此時Iout會因為AUX放大器額外的電流Iadd注入，流過Ropt的電流會變成Iout’ = Iout + Iadd，這時候放大器看到的輸出阻抗：

Zout=Vout/Iout

算起來會比Ropt來的大，當然控制AUX輸入訊號從同相變成反相也可以讓Zout比Ropt來的小。

       如果我們能控制AUX的任意相位與大小，也就是Zout你要多少就是多少， 這不就是Load Pull負載偏移嗎? 這個應用已經在實際的商品，如下圖Focus Microwaves Active Load Pull的架構，裡面的Injection Amplifier控制DUT看到的反射波大小來達到任意反射係數Γ，而且Γ還可以大於1。

電晶體合併 Transistors in Parallel

    上述的例子單位電晶體最大功率1.25W/31dBm，但功率不夠大想要在大一點，直觀上就並聯兩顆相同的電晶體Q1 + Q2，那總電流Imax不就變成兩倍嗎？但這時候Q1看到的負載Z1會等於Ropt嗎? 在看一下阻抗的定義：

Z = V/I

所以當Q1輸出電流I1, Q2與Q1完全相同，偏壓工作點都相同自然地Q2輸出電流I2也會等於I1，所以整體輸出電流：

Iout = I1+I2=2 x 1, 2A, Vout = Ropt x Iout =Ropt x 2 x I1

此時Q1看到的負載Z1為：

Z1=V/I = Vout/I1 = 2 x Rpot = 20Ω……

實際負載電阻Ropt還是10 Ω ，Q1也是輸出了I1電流，但Q1看到的阻抗Z1卻變成20Ω，我們換個說法：

”負載 Load Ropt從10 Ω被調制到20Ω”

其實跟剛剛的主動負載類似，你也可以說Q2是Q1的主動負載，那這樣的結果最大功率輸出能從1.25W變成2.5W變成兩倍嗎？

下圖看一下Q1的負載線LoadLine，因為Q1看到的負載阻抗已經從10 Ω被調製到20 Ω，在偏壓點Iqc不變的情況下往左最高電流只能到0.75A，而且往右最大電壓會超過10V的限制。

那我們調整一下偏壓點Iqc到0.25A，Q1的最大電壓擺幅控制在10V，但是最大電流只能到0.5A，沒有辦法壓榨Q1原始的極限Imax=1A出來。

 

    其實這問題把Q1與Q2合併成一顆電晶體來看就更容易理解了，合併後電晶體的最大輸出電流最終會變成兩倍，但Vmax因為是並聯所以維持不變，合併後重新計算最佳負載Ropt為5 Ω。

 

    把負載Ropt改成5Ω在計算一次就可以得到1.25W功率合併的效果，最大輸出功率變成2.5W或34dBm。

功率回退效率

 

設計一：Q1 only, Vmax 10V, Vdc 5V, Imax 1A, Iqc 0.5A, Ropt 10Ω

設計二：Q1+Q2, Vmax 10V, Vdc 5V, Imax 2A, Iqc 1A, Ropt 5 Ω

設計一與設計二輸出功率分別為1.25W/31dBm與2.5W/34dBm，此時如果輸出功率只需要25dBm，設計一Q1 only效率為12.5%，但設計二高功率Q1+Q2效率就只剩下6.25%。

    上面的案例可以瞭解到，當功率放大器輸出功率設計變大2倍或3dB，功率回退Power Backoff下的效率都會變差，但小朋友才做選擇，

高功率我要，回退效率我也要

在Q2的輸入與輸出塞入一個開關，小功率輸出的時候把Q2關掉，只讓Q1工作，直到Q1電流達到Imax也就是1A後在把Q2在打開，這樣效率曲線就會如下面綠色箭頭一樣，在功率小於28dB(31dBm-3dB)時候獲得改善。

    這原理跟主動負載類似，在不同狀況下改變負載達到最佳化的目的，其實有點算是負載調變(Load Modulation)的概念。

    Doherty Amplifier的架構概念其實很類似，介紹前我們先介紹一個不常在手機匹配網路出現的1/4λ阻抗匹配網路，因為元件小型化的關係，1GHz在空氣中的波長都30cm，1/4波長也有7.5cm，即使在FR4的基版上也差不多3cm左右，這很難在現在的模組真的放入1/4λ傳輸線，一般會用電容與電感等校模型來完成，但這裡不熟悉的朋友也沒關係，知道1/4λ阻抗有以下的轉換特性就好。

    下圖是一個傳統Doherty Amplifier的架構，輸出功率小的時候Q2 Off，ZL負載為5 Ω經過1/4λ傳輸線(10 Ω)，可以得到Z1為20Ω。

    當Q1與Q2同時開啟，由上面提到負載調製，Q1與Q2電流輸出相同，ZL會由5 Ω被調製到10Ω，此時經過1/4λ傳輸線後Q1的阻抗Z1會變成10 Ω，Q2看到的阻抗因為對稱Z2也為10 Ω。

    如果用Q1與Q2都是Class A線性功率放大器，Q1因為Q2關閉前是看到20 Ω，Q1偏壓工作點Iqc維持在Q1與Q2同時開啟的條件相同Iqc=0.5A，結果與上面電晶體並聯(transistors in parallel)的案例，Q1看到5Ω的結果相同。

     但假設我們可以在任意的時間點控制Q1電晶體的偏壓工作點Iqc與切換時間，因為Q1 only 看到的阻抗為20 Ω，小功率操作下可以先把Iqc偏壓在0.25A, 這時候Q1還是一個線性功率放大器Class A的工作邏輯，但效率鋒值可以達50%，輸出最大功率為28dBm，當功率輸出超過28dBm時候Q2打開，這時候負載會從5 Ω被調製到10 Ω，整體效率會先掉，隨著功率增加又回到50%。

    當然實際的Doherty Amplifier並不會有Q2路徑上面的開關，課本上[2]經典的分析也都是Q1偏壓在Class AB，Q2偏壓在Class C類，再利用1/4波長阻抗轉換特性與技巧達成小功率Q1看到高阻抗的效果，其實用開關切匹配路徑本身也算是一種負載調製，只是開關本身有插損，再加上要多一路或多路的匹配網路，整體的設計難度。

結論

    Doherty Amplifier負載調製讓每個功率在最適合的負載達到功率放大器的完美slogan：

“飽和功率大，回退效率高”

完美符合移動通訊的需求，但天底下沒有白吃的午餐，Doherty Amplifier本身最大的問題就是線性度，傳統Doherty放大器 Q1工作點為Class AB，Q2工作點為Class C，這兩種偏壓工作點尤其Class C都是對線性度非常不友善，傳統Doherty放大器都是需要搭配DPD (Digital Predistortion)在使用，要靠純電路(Analog Predistortion)還要對制程P電壓V溫度T (PVT)還有天線阻抗都達到最佳補償。

    要能夠滿足這些肯定是有學問與難度在裡面，不然早就遍地開花了，每一家都推出”XX英雄”系列了，射頻功率廠商也都在研發自己的獨到技術，達到“飽和功率大，回退效率高”，每個技術都有其優點與缺點，把其中一項玩轉到極致大概就可以在市場是佔有一席之地了，無論這個”X英雄”到底是用了什麼技巧？其實不太重要，重要的事最後的目的有沒有達到。

 

參考文章

[1] RF Power Amplifier 剛剛好的輸出功率與負載線Load Line淺談，選功率放大器跟買車其實很像

https://zhuanlan.zhihu.com/p/622945484

 

[2] Steve C. Cripps RF Power Amplifier for Wireless Communications, CH10.

 

Signal Flow Self-Loop，訊號流, 自迴圈，天線阻抗平面轉移

 

        RF Power Amplifier射頻功率放大器經常會遇到一個天線失配造成PA燒毀的問題，有些PA規格書會宣告可以在VSWR 20:1， 但有些卻只能支援VSWR 6:1 兩個極端的差距， 這個可以用上圖阻抗平面轉移來解釋，一般PA到天線路徑會經過Duplexer、PCB Trace、RF Switch etc. 等等，這些串聯元件可以等校成一個串聯S參數。

        例如天線如果失配變成高阻抗1000Ω 或低阻抗2.5Ω ，等校的S參數有3dB的衰減，那在PA輸出端也就是PA負載看到阻抗就變成133Ω 或18Ω，VSWR由20瞬間變成2.7，如果使用上這路徑上的Loss是固定或大概都會有這麼多，這時候PA不需要設計這麼強壯可以把設計的空間讓給其他指標，一個好的設計都是在眾多指標中取得最好的平衡 (尺寸，防護能力，線性度，效率等等 )

        利用公式可以算出天線的阻抗 Γant 經過這網路後的 Γin 數值，這個在先前複習[1] 多重反射與[2] 負回授真的穩定都有提到這個公式。這個公式我第一次看到是在大學微波工程的教科書中讀到[3]David M Pozar, Microwave Engineering 4ed, Chapter 4, Signal Flow。

        

        這公式的推導過程是用Signal Flow來推導，我節錄課本EXAMPLE 4.7 APPLICATION OF SIGNAL FLOW GRAPH，當初還是學生的時候我就一直卡在第一步，Using Rule 4 on node a2........."< 。

        那時候課本的Signal Flow 4個Rule如下，別說Rule 4了，下面根本沒有一個Rule可以直接套用第一步，後來一段時間也是知道有這公式，工作時候拿來用一下，但有點不明就理，但現在網路上上資源很多，搜尋一下Signal Flow就可以找到很多教學的材料。      

        我們可以拆解一下以下的節點，訊號流其實只需要關注每個節點流進來的能量，其實這個公示就是[2] 負回授中的closed loop gain的公式。

        另外還有一個Self-Loop Rule 3的迴圈我們也可以來拆解一下，只需要把前面推導的過程G設定為1，也就是x1 = x2，這樣就形成所謂的自迴圈Self-Loop。

        最後結果可以得到兩個等校的訊號流節點，我們在用訊號流計算一下也可以得到一樣的答案, 最近似乎都一直在寫迴圈的文章，這應該是迴圈三部曲最後一部了吧。

[1] "多重反射Multi Reflection :  Z拆成Z1+Z2會有多重反射嗎? 換個角度計算串聯網路等校反射係數Γ" 

[2]"負回授放大器當相位為180但回路增益𝛽𝐴大於1還會穩定嗎? Negative Feed-Back Amplifier Loop Gain, What will happen 𝛽𝐴>1?"

[3] Microwave Engineering 4ed, David M. Pozar.

[開箱] 聲闊 Anker Soundcore life q35 使用心得，再見了SONY WH-1000XM2

         之前用的SONY WH-1000XM2在陪伴我度過3年多的時光，耳罩的皮也都掉了，之前著名的頭樑斷裂問題，之前在淘寶上買配件SONY WH-1000XM2 斷裂; Bose NC700 vs 淘寶買配件維修?沒多久又壞了，這種用機構卡榫會斷也是遲早的問題，後來直接用束帶固定也用了一陣子。

        9月9日的時候京東搞了一個99秒殺節，剛好有一款聲闊 Anker Soundcore Life Q35的耳機，價格只要SONY WH-1000XM4的一半價格，換算一下大概為新台幣3800左右，上網看了一下評價還不錯，當然還有口袋深度就上網訂了一台。

        Q35設計上頭樑也是跟SONY一樣採用金屬的設計，但之前SONY會斷裂的問題soundcore這裡採用了螺絲固定，這個強度"感覺"應該會比用舊一代來的好，但不知道SONY WH-1000XM4代改良了沒，畢竟這已經隔了2代。

  

配戴舒適性

        這款耳機的佩戴舒適性比SONY WH-1000XM2來的好，主要是記憶泡棉跟整個行程力道比較小，比較沒那麼夾頭，但相對就沒這麼穩，如果戴著耳機躺下來的時候耳機會撐不住滑掉，但SONY WH-1000XM2就沒這問題。

通話品質

        通話品質跟SONY WH-1000XM2相比真的有明顯的提升，但畢竟是跟3年前的產品相比，之前通話對方常常聽不到我在講什麼我都要切換成手機話筒，現在Q35通話品質在跟水母聊天無論是在戶外或室內收音都不錯，且有效的壓制背景噪音，在大賣場，地鐵或戶外風大一點水母都沒什麼感覺，不會聽到背景雜音。

支援同時配對兩個設備

        這一點也是 SONY WH-1000XM2代不支援，但我看4代已經支援，我的使用情境為手機跟比電，可以看到手機跟筆電會同時"聽"到Soundcore Life Q35，但是如果要換到筆電播放音樂使用大部分時候還是要手動選擇輸出設備，但已經比要斷開重新配對方便很多。

        用電腦撥打SKYPE的時候，音訊會自動切換到Soundcore Life Q35，麥克風跟輸出都會切換成耳機收音。

ANC主動降噪

         詳細的規格比較在RTING可以Side-by-Side跟SONY WH-1000XM4比較，在機房散熱風扇環境，跟SONY WH-1000XM2相比，我自己是沒有聽出差異，ANC對於1kHz以上的噪音效果都不好，有興趣可以看一下之前我寫的這一篇

從零開始學習筆記: TWS+ ANC 真無線與主動式降躁藍芽耳機。

        開啟後可以明顯覺得背景噪音有變化，但這種高轉速風扇有一半的能量在1kHz以上，這只能靠物理降噪了。

        

        地鐵這種噪音頻譜非常廣的地方，ANC開啟還是有很大程度的改善，原本聽音樂要開到80%，開啟後大概40~50%就可以了，某種程度上是保護自己的聽力。

最後心得

        整體上從SONY WH-1000XM2換到Soundcore Life Q35如果是全新的產品對比如果從音質跟降噪我覺得差異沒有大到我耳朵聽的出來，而且這定位直接打到的對象真的是SONY WH-1000XM4，幾乎賣點都是一樣的，但價格卻少一半。

         1. 支援兩個設備

         2. 支援LDAC, iPhone不支援沒差。

         3. 收音品質不錯

         4. 一整天的續航力與快充  

         5. 3.5mm接頭與飛機轉接器，常搭飛機還蠻好用的。

[旅遊] 20211002 廣州中山 國父孫中山故居

         晚上八點多一個打屁群組突然傳來"富哥要不要自駕游"，好啊說走就走不然大概7天的假期都會宅在房間不出門，就這樣隔天我們約了10:00在深圳上塘站一嗨租車集合，到了店門口門是開的但沒有人，同事打了電話問對方說...."請問你人在店裡嗎?"....這是什麼蠢問題啊，在人家店裡面問對方你有在店裡嗎? 

        因為是十一長假只剩下一台車了，車況不好但也沒什麼選擇，這樣拖一拖也就10:40了，如果不塞車的話深圳到中山開車大概2小時的路程，原本要去中山吃中餐，但實在太小看十一的威力，一直塞到虎門大橋前已經快下午2點，看到路牌有寫著虎門硝煙的觀光指示牌，我們決定先到虎門吃個中餐然後到虎門硝煙打個卡順便補充一下歷史知識。

        

            隨便找一個餐廳"非凡私廚" 地址: 广东省东莞市虎门镇威远南面村大道42号，我們走進去老闆還覺得奇怪怎麼會有人中午來吃飯，這間店看起來平常都是吃晚餐喝小酒，隨便點了幾個菜口味還可以，四個菜327人民幣。

1. 川燙魷魚 2. 祿鵝 (粵菜，祿是一種烹飪方式，煮鵝的意思) 3. 私房蟹餅(好像有加香椿的肉餅) 4. 野菜 

        虎門硝煙是林則徐因為鴉片問題到廣州處理鴉片的遺址，也是鴉片戰爭的開端，但我想平常這地方一定應該是不會有人來，但我太小看十一假期中國的人潮了，整個市區塞到爆炸，即使中途放棄不去，開出市區也花了一個小時的時間，終於在下午4 點的時候開上了高速公路，因為虎門大橋太塞了，改走南沙大橋。

       到了民眾服務區的時候已經市下午5點30分了，這個服務區還有Starbucks，上車睡覺下車尿尿還繼續出發。 

        終於在18:30的時候到了中山東昇小鎮吃脆鯇，在網路上找了一家評價不錯的店紅日飯店 地址: 广东省中山市裕隆三路70号对面。

        現場人也很多，在這沒有遊客會來的地方應該都是當地人來吃，脆肉鯇其實就是吃了蠶豆的草魚，上網查了一下只要是魚吃了豌豆都可以有這種效果，火鍋的位置不夠，只能在外面點菜，需要直接點半隻魚四種料裡，人民幣255。

1. 魚片水煮魚 2. 炸魚骨 3. 鹽酥魚柳 4. 豉汁蒸鱼腩

吃起來真的很有嚼勁，老人家應該是吃不動的那一種，但除了有嚼勁外四道料裡都不合我的味口，整體料裡死鹹魚肉吃了兩片有點膩跟腥，跟現場的人數有點對不起來。

【科學】魚為什麼要喂蠶豆？揭秘脆肉誕生原理和魚肉分子機制
        

        塞了一整天的車晚上才道中山吃晚餐，中山感覺不大但酒店挺多的，便宜到貴的喜來登都有，隨便找了一間ibed主題酒店一個晚上雙人房195人民幣，這裡酒店的價格網路上跟現場問價差很大，要多善用這裡的工具美團，支付寶或攜程找到打電話先去詢問避免被坑。

   

        隔天早上到了中山市步行街，晚上開京經過人非常多，建築物保留歐式風格，但店家跟小吃就跟其他的步行街賣的東西一樣沒有什麼特色，早上來沒有人也不錯可以看看建築的風格。

        本來要來這裡吃早餐但走了一大段都沒有店家也不是，走到盡頭原本要吃麥當勞後來繞道小巷子看到一家"浩輝飲食"，牆壁上面還有譚詠麟的合影，墊了一份豬腸粉跟招牌肉丸粥，豬腸粉只是因為外觀長的像豬腸才叫做豬腸粉，生意跟味到都不錯，吃完早餐就可以去香山商業博物館。

        這博物館還不錯，也有線上介紹，有興趣可以先上網看一下博物館資訊。

        離開中山市往免費5A景點國父孫中山的故居出發，很多人不知道大陸的國父也是孫中山，說到國民黨跟共產黨可以說是減不斷理還亂，在這跟多年沒有繳黨費的黨員朋友拍下友誼之握 XD。

        博物館裡面有很多文獻，電報報紙等等，其實這段歷史蠻豐富的，裡面當初國民黨起義跟現在中華民國國旗的核心，陸皓東設計的青天白日12星芒的旗幟，看的時候還有一個小孩問他爸說"為什麼這國旗有12個角"，當時想想對喔我也不知道為什麼是12個角，上網查了一下有兩個解釋。

第一種：

孫中山將叉光解釋為十二道光芒，以代十二時辰，代表一天十二個時辰，一年十二個月，更鼓舞國人時刻精進奮鬥與時俱進，同時象徵子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二地支，即「天行健，君子以自強不息；地勢坤，君子以厚德載物」。

第二種：

象徵中華文化所傳承的美德；即：禮義廉恥與忠孝仁愛信義和平的四維八德精神。

        我在想如果我拿中華民國國旗或青天白日旗出來賣，應該會有人買才對，或拿出來揮應該沒有人發現才對。

        離開國父孫中三故居後，附近有大溪崖口溼地，大溪岸邊整條路上都是餐廳，上網找了一間棠記海鮮 地址:中山市崖口沙头冲海边(近崖口集益庙) ，餐廳評價不錯中午用前人也很多，剛好退潮可以看到濕地很多彈塗魚，店家也有賣不知道是不是當場抓上來的，彈塗魚對環境很敏感，這也代表這附近的水質還不錯。

        1. 鹹酥灑尿蝦(一斤148人民幣，喔大陸一斤是500公克) 2. 炒花甲 3. 招牌粉絲堡 4. 酥炸不知道什麼魚 

       三個人四道菜330人民幣，海鮮這東西只要東西新鮮，簡單的料理就很好吃，這一家除了花甲炒得有點過頭外，其他菜色都不錯推薦。

        就這樣結束了中山之旅，一路塞回深圳。