【導(dǎo)讀】身為射頻工程師，工作多多少少都會(huì)涉及到功率放大器。功率放大器可以說是很多射頻工程師繞不過的坎。功能、分類、性能指標(biāo)、電路組成、效率提升技術(shù)、發(fā)展趨勢……關(guān)于射頻功率放大器，該知道的你都知道么？快來補(bǔ)補(bǔ)課吧！
身為射頻工程師，工作多多少少都會(huì)涉及到功率放大器。功率放大器可以說是很多射頻工程師繞不過的坎。功能、分類、性能指標(biāo)、電路組成、效率提升技術(shù)、發(fā)展趨勢……關(guān)于射頻功率放大器，該知道的你都知道么？快來補(bǔ)補(bǔ)課吧！
RF PA的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：功率和線性
在RF功率放大器中，功效(PAE)定義為輸出信號功率與輸入信號功率之差與直流電源功耗的比值，即:
PAE = (PRFOUT - PRFIN)/PDC = (PRFOUT - PRFIN)/(VDC*IDC)
射頻功率放大器RF PA的功能
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 一緩沖級、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。功 率放大器往往是固定設(shè)備或終端的最昂貴、最耗電、效率最低的器件。
在調(diào)制器產(chǎn)生射頻信號后，射頻已調(diào)信號就由RFPA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。
圖1 發(fā)射系統(tǒng)框圖
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。對于放大器這樣一個(gè)“系統(tǒng)”來說，它的“貢 獻(xiàn)”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，并向外界“輸出”。這一“提升的貢獻(xiàn)”，即為放大器存在的“意義”所在。如果放大器能夠有好的性能，那么它 就可以貢獻(xiàn)更多，這才體現(xiàn)出它自身的“價(jià)值”。如果放大器的初始“機(jī)制設(shè)計(jì)”存在著一定的問題，那么在開始工作或者工作了一段時(shí)間之后，不但不能再提供任 何“貢獻(xiàn)”，反而有可能出現(xiàn)一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”，對于外界還是放大器自身，都是災(zāi)難性的。
射頻功率放大器RF PA的分類
根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類如下：
圖2 功率放大器的分類
射頻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。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)中最高的。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。
除了以上幾種按照電流導(dǎo)通角分類的工作狀態(tài)外，還有使電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)的丁（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。
射頻功率放大器RF PA的性能指標(biāo)
射頻功率放大器RF PA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(jì)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(shí)現(xiàn)不失真放大。總體來說，放大器的評判大概存在著如下指標(biāo)：
增益。這是輸入和輸出之間比值，代表著放大器的貢獻(xiàn)。好的放大器，都是在其“自身能力的范圍內(nèi)”，盡可能多的貢獻(xiàn)出“產(chǎn)出”。 工作頻率。這代表著放大器對不同頻率信號的承載能力。 工作帶寬。這決定著放大器能夠在多大范圍內(nèi)產(chǎn)生“貢獻(xiàn)”。對于一個(gè)窄帶放大器來說，其自身設(shè)計(jì)即便沒有問題，但是其貢獻(xiàn)可能是有限的。 穩(wěn)定性。每一個(gè)晶體管都存在著潛在的“不穩(wěn)定區(qū)域”。放大器的“設(shè)計(jì)”需要消除這些潛在的不穩(wěn)定。放大器的穩(wěn)定性包括兩種，潛在不穩(wěn)定和絕對穩(wěn)定。前者可 能在特定條件和環(huán)境下出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，后者則能夠保證在任何情況下保持穩(wěn)定。穩(wěn)定性問題之所以重要，是因?yàn)椴环€(wěn)定意味著“震蕩”，這時(shí)放大器不但影響自 身，還會(huì)將不穩(wěn)定因素輸出。 最大輸出功率。這個(gè)指標(biāo)決定著放大器的“容量”。對于“大的系統(tǒng)”來說，希望他們在犧牲一定的增益的情況下能夠輸出更大的功率。 效率。放大器都要消耗一定“能量”，還實(shí)現(xiàn)一定的“貢獻(xiàn)”。其貢獻(xiàn)與消耗之比，即為放大器的效率。能夠貢獻(xiàn)更多消耗更少，就是好的放大器。 線性。線性所表征的是放大器對于大量輸入進(jìn)行正確的反應(yīng)。線性的惡化表示放大器在過量的輸入的狀態(tài)下將輸入“畸變”或“扭曲”。好的放大器不應(yīng)該表現(xiàn)出這 種“畸形”的性質(zhì)。
下面內(nèi)容：射頻功放的電路組成、穩(wěn)定和效率提升方式
射頻功率放大器RF PA的電路組成
放大器有不同類型，簡化之，放大器的電路可以由以下幾個(gè)部分組成：晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路。
1、晶體管
晶體管有很多種，包括當(dāng)前還有多種結(jié)構(gòu)的晶體管被發(fā)明出來。本質(zhì)上，晶體管的工作都是表現(xiàn)為一個(gè)受控的電流源或電壓源，其工作機(jī)制是將不含內(nèi)容的直流的能量轉(zhuǎn)化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉(zhuǎn)化成有用的成分。一個(gè)晶體管，我們可以視之為“一個(gè)單位”。不同的晶體管不同的“能力”，例如其承受功率的能力有區(qū)別，這也是因?yàn)槠淠塬@取的直流能量的能力不同所致；例如其反應(yīng)速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上；例如其面向輸入、輸出端的阻抗不同，及對外的反應(yīng)能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。
2、偏置及穩(wěn)定電路
偏置和穩(wěn)定電路是兩種不同的電路，但因?yàn)樗麄兺茈y區(qū)分，且設(shè)計(jì)目標(biāo)趨同，所以可以放在一起討論。
晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱之為靜態(tài)工作點(diǎn)。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個(gè)晶體管都給自己進(jìn)行了一定的定位，其定位不同將決定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在著不同的性能表現(xiàn)。有寫定位點(diǎn)上起伏較小，適合于小信號工作；有些定位點(diǎn)上起伏較大，適合于大功率輸出；有些定位點(diǎn)上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作；有些定位點(diǎn)，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊，處于開關(guān)狀態(tài)。一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)，是正常工作的礎(chǔ)。
穩(wěn)定電路一定要在匹配電路之前，因?yàn)榫w管需要將穩(wěn)定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來，加上穩(wěn)定電路的晶體管，是一個(gè)“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩(wěn)定性。穩(wěn)定電路的機(jī)制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。
3、輸入輸出匹配電路
匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來說，其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過匹配電路這一個(gè)接口，不同的晶體管之間溝通更加順暢，對于不同種的放大器類型來說，匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設(shè)計(jì)方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時(shí)候做一定的阻擋，來獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過了頭，否則會(huì)影響其貢獻(xiàn)。而對于一些巨型功率管，則需要在輸出時(shí)謹(jǐn)小慎微，因?yàn)樗麄兏环€(wěn)定，同時(shí)，一定的保留有助于他們發(fā)揮出更多的“不扭曲的”能量。
射頻功率放大器RF PA穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)方式
每一個(gè)晶體管都是潛在不穩(wěn)定的。好的穩(wěn)定電路能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續(xù)工作”的模式。穩(wěn)定電路的實(shí)現(xiàn)方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。
窄帶的穩(wěn)定電路是進(jìn)行一定的增益消耗。這種穩(wěn)定電路是通過增加一定的消耗電路和選擇性電路實(shí)現(xiàn)的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個(gè)頻率范圍內(nèi)貢獻(xiàn)。另外一種寬帶的穩(wěn)定是引入負(fù)反饋。這種電路可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)工作。
不穩(wěn)定的根源是正反饋，窄帶穩(wěn)定思路是遏制一部分正反饋，當(dāng)然，這也同時(shí)抑制了貢獻(xiàn)。而負(fù)反饋?zhàn)龅煤茫€有產(chǎn)生很多額外的令人欣喜的優(yōu)點(diǎn)。比如，負(fù)反饋可能會(huì)使晶體管免于匹配，既不需要匹配就可以與外界很好的接洽了。另外，負(fù)反饋的引入會(huì)提升晶體管的線性性能。
射頻功率放大器RF PA的效率提升技術(shù)
晶體管的效率都有一個(gè)理論上的極限。這個(gè)極限隨偏置點(diǎn)（靜態(tài)工作點(diǎn)）的選擇不同而不同。另外，外圍電路設(shè)計(jì)得不好，也會(huì)大大降低其效率。目前工程師們對于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種：包絡(luò)跟蹤技術(shù)與Doherty技術(shù)。
包絡(luò)跟蹤技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：將輸入分離為兩種：相位和包絡(luò)，再由不同的放大電路來分別放大。這樣，兩個(gè)放大器之間可以專注的負(fù)責(zé)其各自的部分，二者配合可以達(dá)到更高的效率利用的目標(biāo)。
Doherty技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：采用兩只同類的晶體管，在小輸入時(shí)僅一個(gè)工作，且工作在高效狀態(tài)。如果輸入增大，則兩個(gè)晶體管同時(shí)工作。這種方法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態(tài)會(huì)直接的決定了另一支的工作效率。
RF PA面臨的測試挑戰(zhàn)
功率放大器是無線通信系統(tǒng)中非常重要的組件，但他們本身是非線性的，因而會(huì)導(dǎo)致頻譜增生現(xiàn)象而干擾到鄰近通道，而且可能違反法令強(qiáng)制規(guī)定的帶外（out-of-band）放射標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)特性甚至?xí)斐蓭?nèi)失真，使得通信系統(tǒng)的誤碼率（BER）增加、數(shù)據(jù)傳輸速率降低。
在峰值平均功率比（PAPR）下，新的OFDM傳輸格式會(huì)有更多偶發(fā)的峰值功率，使得PA不易被分割。這將降低頻譜屏蔽相符性，并擴(kuò)大整個(gè)波形的EVM及增加BER。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)刻意降低PA的操作功率。很可惜的，這是非常沒有效率的方法，因?yàn)镻A降低10%的操作功率，會(huì)損失掉90%的DC功率。
現(xiàn)今大部分的RF PA皆支持多種模式、頻率范圍及調(diào)制模式，使得測試項(xiàng)目變得更多。數(shù)以千計(jì)的測試項(xiàng)目已不稀奇。波峰因子消減（CFR）、數(shù)字預(yù)失真（DPD）及包絡(luò)跟蹤（ET）等新技術(shù)的運(yùn)用，有助于將PA效能及功率效率優(yōu)化，但這些技術(shù)只會(huì)使得測試更加復(fù)雜，而且大幅延長設(shè)計(jì)及測試時(shí)間。增加RF PA的帶寬，將導(dǎo)致DPD測量所需的帶寬增加5倍（可能超過1 GHz），造成測試復(fù)雜性進(jìn)一步升高。
依趨勢來看，為了增加效率，RF PA組件及前端模塊（FEM）將更緊密整合，而單一FEM則將支持更廣泛的頻段及調(diào)制模式。將包絡(luò)跟蹤電源供應(yīng)器或調(diào)制器整合入FEM，可有效地減少移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的整體空間需求。為了支持更大的操作頻率范圍而大量增加濾波器/雙工器插槽，會(huì)使得移動(dòng)設(shè)備的復(fù)雜度和測試項(xiàng)目的數(shù)量節(jié)節(jié)攀升。
手機(jī)射頻模塊功率放大器(PA)市場情況
手機(jī)功率放大器領(lǐng)域是目前手機(jī)里無法集成化的元件，手機(jī)性能、占位面積、通話質(zhì)量、手機(jī)強(qiáng)度、電池續(xù)航能力都由功率放大器決定。
如何集成這些不同頻段和制式的功率放大器是業(yè)界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案：一種是融合架構(gòu)，將不同頻率的射頻功率放大器PA集成；另一種架構(gòu)則是沿信號鏈路的集成，即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的手機(jī)。融合架構(gòu)，PA的集成度高，對于3個(gè)以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu)勢，5-7個(gè)頻帶時(shí)還巨有明顯的成本優(yōu)勢。缺點(diǎn)是雖然PA集成了，但是雙工器仍是相當(dāng)復(fù)雜，并且PA集成時(shí)有開關(guān)損耗，性能會(huì)受影響。而對于后一種架構(gòu)，性能更好，功放與雙功器集成可以提升電流特性，大約可以節(jié)省幾十毫安電流，相當(dāng)于延長15%的通話時(shí)間。所以，業(yè)內(nèi)人士的建議是，大于6個(gè)頻段時(shí)（不算 2G，指3G和4G）采用融合架構(gòu)，而小于四個(gè)頻段時(shí)采用PA與雙工器集成的方案PAD。
