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.
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