射頻芯片中的功率放大器知識淺析

在我們使用的無線設(shè)備中，經(jīng)常會聽到到一個詞，設(shè)備的功率是多少瓦的，而我們也常常認(rèn)為，設(shè)備的功率越大越好。到底是不是這樣呢，今天我們就帶大家來了解一下功率放大器的知識。

一 、什么是RF功率放大器

?????? 功率放大器是把輸入信號放大并向負(fù)載提供足夠大的功率的放大器。射頻功率放大器（RF PA）是發(fā)射系統(tǒng)中的主要部分，其重要性不言而喻。在發(fā)射機(jī)的前級電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大（緩沖級、中間放大級、末級功率放大級）獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。在調(diào)制器產(chǎn)生射頻信號后，射頻已調(diào)信號就由RF PA將它放大到足夠功率，經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)，再由天線發(fā)射出去。

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?????? 放大器的功能，即將輸入的內(nèi)容加以放大并輸出。輸入和輸出的內(nèi)容，我們稱之為“信號”，往往表示為電壓或功率。射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率，是射頻功率放大器設(shè)計目標(biāo)的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實現(xiàn)不失真放大。除此之外，輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡可能地小，以避免對其他頻道產(chǎn)生干擾。

?????? 根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器可分為：線性功率放大器和開關(guān)型功率方法器。

線性功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。線性射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導(dǎo)通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導(dǎo)通角等于180°，丙類放大器電流的導(dǎo)通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中較高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

?????? 開關(guān)型功率放大器（Switching Mode PA，SMPA），使電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)，常見的有丁（D）類放大器和戊（E）類放大器，丁類放大器的效率高于丙類放大器。SMPA將有源晶體管驅(qū)動為開關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開，要么是關(guān)，其電壓和電流的時域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流功耗為零，理想的效率能達(dá)到99%。

總體來講，傳統(tǒng)線性功率放大器具有較高的增益和線性度但效率低，而開關(guān)型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率，但線性度差。

二、功率放大器的工藝

?????? 目前功率放大器的主流工藝依然是GaAs工藝。另外，GaAs HBT，砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。其中HBT（heterojuncTIon bipolar transistor，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管）是一種由砷化鎵（GaAs）層和鋁鎵砷（AlGaAs）層構(gòu)成的雙極晶體管。CMOS工藝雖然已經(jīng)比較成熟，但Si CMOS功率放大器的應(yīng)用并不廣泛。成本方面，CMOS工藝的硅晶圓雖然比較便宜，但CMOS功放版圖面積比較大，再加上CMOS PA復(fù)雜的設(shè)計所投入的研發(fā)成本較高，使得CMOS功放整體的成本優(yōu)勢并不那么明顯。性能方面，CMOS功率放大器在線性度，輸出功率，效率等方面的性能較差，再加上CMOS工藝固有的缺點：膝點電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電阻率較低。

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三、功率放大器發(fā)展趨勢

?????? 英國研究公司Technavio 稱，全球功率放大器市場主要有三個四發(fā)展趨勢：晶圓尺寸增大；初創(chuàng)企業(yè)采用CMOS 技術(shù)；國防領(lǐng)域的高速放大器需求逐漸增大：利用InGaP 工藝，實現(xiàn)功率放大器的低功耗和高效率。

?????? 晶圓尺寸變大。半導(dǎo)體行業(yè)見證了過去40 年晶圓尺寸的變化，砷化鎵（GaAs）晶圓尺寸從50mm 增大到150mm，制造成本降低了20%～25%。目前，業(yè)界制造功率放大器通常采用150mm晶圓。預(yù)測150mm 晶圓還將繼續(xù)使用，因為臺灣的穩(wěn)懋半導(dǎo)體公司等制造商還在大力投資升級和新建150mm 工廠。業(yè)內(nèi)正在開發(fā)200mm 晶圓技術(shù)，預(yù)計2018 年底能夠試生產(chǎn)。斯坦福大學(xué)研究人員正在研究降低200mm GaAs 晶圓的價格，使其可以以較低的價格與硅晶圓爭奪市場。同時這也對掩膜版檢測設(shè)備登晶圓制造設(shè)備提出需求。

?????? 初創(chuàng)公司采用CMOS技術(shù)。一些初創(chuàng)企業(yè)，如Acco Semiconductor ， 正越來越多的采用CMOS 技術(shù)。Acco Semiconductor 抓住移動手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品對射頻功率放大器巨大需求的機(jī)會，已經(jīng)投資350 億美元擴(kuò)展其基于CMOS 的射頻功率放大器業(yè)務(wù)。目前絕大多數(shù)功率放大器采用鍺硅（SiGe）或GaAs 技術(shù)，而非CMOS。但根據(jù)報告可知，基于CMOS 工藝有助于實現(xiàn)低成本、高性能的功率放大器。

?????? 國防領(lǐng)域需要高速放大器。軍事領(lǐng)域需要更高效的利用頻譜，更多的使用移動設(shè)備來通信。因此，Technavio 公司稱，軍事領(lǐng)域要求高速功率放大器。美國國防先期研究計劃局（DARPA）在太赫茲電子項目中已取得進(jìn)展，即美國諾·格公司開發(fā)了出固態(tài)功率放大器和行波管放大器，這是僅有的兩款太赫茲頻率產(chǎn)品。太赫茲頻段的功率放大器可用于許多領(lǐng)域，包括高分辨率安全成像、高數(shù)據(jù)速率通信、防撞雷達(dá)、遠(yuǎn)距離危險化學(xué)品和爆炸物探測系統(tǒng)等，這些設(shè)備的高速率運(yùn)行要求必須使用高速放大器。

利用InGaP 工藝，實現(xiàn)功率放大器的低功耗和高效率。InGaP 特別適合要求相當(dāng)高功率輸出的高頻應(yīng)用。InGaP 工藝的改進(jìn)讓產(chǎn)量得到了提高，并帶來了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。這樣既簡化了系統(tǒng)設(shè)計，降低了原材料成本，也節(jié)省了板空間。有些InGaP PA 也采用包含了CMOS 控制電路的多芯片封裝。如今，在接收端集成了PA 和低噪音放大器（LNA）并結(jié)合了RF 開關(guān)的前端WLAN 模塊已經(jīng)可以采用精簡型封裝。例如，ANADIGICS 公司提出的InGaP-Plus 工藝可以在同一個InGaP 芯片上集成雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管。這一技術(shù)正被用于尺寸和PAE（功率增加效率）有所改進(jìn)的新型CDMA 和WCDMA 功率放大器。

四、功率放大器的主要指標(biāo)

?????? 工作頻率范圍。一般來講，是指放大器的線性工作頻率范圍。如果頻率從DC 開始，則認(rèn)為放大器是直流放大器。

?????? 增益。工作增益是衡量放大器放大能力的主要指標(biāo)。增益的定義是放大器輸出端口傳送到負(fù)載的功率與信號源實際傳送到放大器輸入端口的功率之比。增益平坦度，是指在一定溫度下，整個工作頻帶范圍內(nèi)放大器增益的變化范圍，也是放大器的一個主要指標(biāo)。

?????? 輸出功率和1dB 壓縮點（P1dB）。當(dāng)輸入功率超過一定量值后，晶體管的增益開始下降，結(jié)果是輸出功率達(dá)到飽和。當(dāng)放大器的增益偏離常數(shù)或比其他小信號增益低1dB 時，這個點就是大名鼎鼎的1dB壓縮點（P1dB）。

?????? 效率。由于功放是功率元件，需要消耗供電電流。因此功放的效率對于整個系統(tǒng)的效率來講極為重要。功率效率是功放的射頻輸出功率與供給晶體管的直流功率之比。

交調(diào)失真。交調(diào)失真是指具有不同頻率的兩個或者更多的輸入信號通過功率放大器而產(chǎn)生的混合分量。這是由于功放的非線性特質(zhì)造成的。

?????? 三階交調(diào)截止點（IP3）。IP3 也是功放非線性的重要指標(biāo)。當(dāng)輸出功率一定時，三階交調(diào)截止點輸出功率越大，功放的線性度就越好。

?????? 動態(tài)范圍。功放的動態(tài)范圍一般是指可檢測信號到線性工作區(qū)輸入功率之間的差值。自然，這個值肯定是越大越好。

?????? 諧波失真。當(dāng)輸入信號增加到一定程度后，功放會由于工作到了非線性區(qū)產(chǎn)生一系列諧波。對于大功率放大器系統(tǒng)中，一般需要用濾波器將諧波降到60dBc 以下。

?????? 輸入/輸出駐波比。表明功放和整個系統(tǒng)的匹配程度。輸入、輸出比變壞會導(dǎo)致系統(tǒng)的增益起伏和群時延變壞。但是高駐波比的功放是比較難以設(shè)計的，一般的系統(tǒng)中，都會需要要求功放的輸入駐波比低于2：1。

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