详解射频功率放大器

Getaway

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一、射频芯片市场
根据 Yole Development 的统计，2G 制式智能手机中射频前端芯片的价值为 0.9 美元，3G 制式智能手机中大幅上升到 3.4 美元，支持区域性 4G 制式的智能手机中射频前端芯片的价值已经达到 6.15 美元，高端 LTE 智能手机达到 12-15 美元，是 2G 制式智能手机中射频前端芯片的 17 倍。预计到 2023 年手机射频（RF）前端模块和组件将达到 350 亿美元，17-23 年复合年增长率为 14%。

各种手机射频前端组件的增速不一，如天线调谐器（Antenna tuners）

的复合年增长率为 40%，滤波器（Filters）的复合年增长率为 21%，射频开关（Switches）的复合年增长率为 12%，而射频功率放大器和低噪声放大器（PAs & LNAs）的复合年增长率仅为 1%。

4G 多模多频手机所需的 PA 芯片增至 5-7 颗，StrategyAnalytics 预测称 5G 时代手机内的 PA 或多达 16 颗之多。就工艺材料来说，目前砷化镓 PA 是主流，CMOS PA 由于参数性能的影响，只用于低端市场。4G 特别是例如高通等 LTE cat16，4x20MHZ 的载波聚合技术，对 PA 线性度高 Q 值得要求，会进一步依赖砷化镓 PA。同时，据 Qorvo 预测，随着 5G 的普及， 8GHz 以下砷化镓 PA 仍是主流，但 8GHz 以上氮化镓有望在手机市场成为主力。随着无线通讯协议的复杂化及射频前端芯片设计的不断演进， PA 设计厂商往往将开关或双工器等功能与功率放大电路集成在一个芯片封装中，形成多种功能组合。根据实际情况，TxM（PA+Switch）、PAD（PA+ Duplexer）、 MMPA（多模多频 PA）等多种复合功能的 PA 芯片类型。
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二、什么是 RF 功率放大器
( }2 N& @4 g8 d7 G- a3 s: t功率放大器是把输入信号放大并向负载提供足够大的功率的放大器。射频功率放大器（RF PA）是发射系统中的主要部分，其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大（缓冲级、中间放大级、末级功率放大级）获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由 RF PA 将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。
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放大器的功能，即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率，是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中，可以用 LC 谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。
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根据工作状态的不同，功率放大器可分为：线性功率放大器和开关型功率方法器。
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& L  J9 O1 O$ O* H9 D2 {线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。线性射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为 360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于 180°，丙类放大器电流的导通角则小于 180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。
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开关型功率放大器（Switching Mode PA，SMPA），使电子器件工作于开关状态，常见的有丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA 将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到 100%。

. t9 H, M7 Z8 T; R0 P7 T总体来讲，传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。

9 c8 z$ S" j8 E: f三、功率放大器的工艺
目前功率放大器的主流工艺依然是 GaAs 工艺。另外，GaAs HBT，砷化镓异质结双极晶体管。其中 HBT（heterojuncTIon bipolar transistor，异质结双极晶体管）是一种由砷化镓（GaAs）层和铝镓砷（AlGaAs）层构成的双极晶体管。
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CMOS 工艺虽然已经比较成熟，但 Si CMOS 功率放大器的应用并不广泛。成本方面，CMOS 工艺的硅晶圆虽然比较便宜，但 CMOS 功放版图面积比较大，再加上 CMOS PA 复杂的设计所投入的研发成本较高，使得 CMOS 功放整体的成本优势并不那么明显。性能方面，CMOS 功率放大器在线性度，输出功率，效率等方面的性能较差，再加上 CMOS 工艺固有的缺点：膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS 工艺基片衬底的电阻率较低。

四、功率放大器发展趋势
英国研究公司 Technavio 称，全球功率放大器市场主要有三个四发展趋势：晶圆尺寸增大；初创企业采用 CMOS 技术；国防领域的高速放大器需求逐渐增大：利用 InGaP 工艺，实现功率放大器的低功耗和高效率。
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晶圆尺寸变大。半导体行业见证了过去 40 年晶圆尺寸的变化，砷化镓（GaAs）晶圆尺寸从 50mm 增大到 150mm，制造成本降低了 20%～25%。目前，业界制造功率放大器通常采用 150mm 晶圆。预测 150mm 晶圆还将继续使用，因为台湾的稳懋半导体公司等制造商还在大力投资升级和新建 150mm 工厂。业内正在开发 200mm 晶圆技术，预计 2018 年底能够试生产。斯坦福大学研究人员正在研究降低 200mm GaAs 晶圆的价格，使其可以以较低的价格与硅晶圆争夺市场。同时这也对掩膜版检测设备登晶圆制造设备提出需求。

初创公司采用 CMOS 技术。一些初创企业，如 Acco Semiconductor ， 正越来越多的采用 CMOS 技术。Acco Semiconductor 抓住移动手机和物联网产品对射频功率放大器巨大需求的机会，已经投资 350 亿美元扩展其基于 CMOS 的射频功率放大器业务。目前绝大多数功率放大器采用锗硅（SiGe）或 GaAs 技术，而非 CMOS。但根据报告可知，基于 CMOS 工艺有助于实现低成本、高性能的功率放大器。

国防领域需要高速放大器。军事领域需要更高效的利用频谱，更多的使用移动设备来通信。因此，Technavio 公司称，军事领域要求高速功率放大器。美国国防先期研究计划局（DARPA）在太赫兹电子项目中已取得进展，即美国诺·格公司开发了出固态功率放大器和行波管放大器，这是仅有的两款太赫兹频率产品。太赫兹频段的功率放大器可用于许多领域，包括高分辨率安全成像、高数据速率通信、防撞雷达、远距离危险化学品和爆炸物探测系统等，这些设备的高速率运行要求必须使用高速放大器。
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% K1 T9 b4 V% b$ o8 b0 ^利用 InGaP 工艺，实现功率放大器的低功耗和高效率。InGaP 特别适合要求相当高功率输出的高频应用。InGaP 工艺的改进让产量得到了提高，并带来了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。这样既简化了系统设计，降低了原材料成本，也节省了板空间。有些 InGaP PA 也采用包含了 CMOS 控制电路的多芯片封装。如今，在接收端集成了 PA 和低噪音放大器（LNA）并结合了 RF 开关的前端 WLAN 模块已经可以采用精简型封装。例如，ANADIGICS 公司提出的 InGaP-Plus 工艺可以在同一个 InGaP 芯片上集成双极晶体管和场效应晶体管。这一技术正被用于尺寸和 PAE（功率增加效率）有所改进的新型 CDMA 和 WCDMA 功率放大器。
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五、功率放大器的主要指标
工作频率范围。一般来讲，是指放大器的线性工作频率范围。如果频率从 DC 开始，则认为放大器是直流放大器。

7 `7 u! |5 O$ i7 I$ e: @& t/ S增益。工作增益是衡量放大器放大能力的主要指标。增益的定义是放大器输出端口传送到负载的功率与信号源实际传送到放大器输入端口的功率之比。增益平坦度，是指在一定温度下，整个工作频带范围内放大器增益的变化范围，也是放大器的一个主要指标。
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% K. |- O2 ]: ]( }* O8 U输出功率和 1dB 压缩点（P1dB）。当输入功率超过一定量值后，晶体管的增益开始下降，最终结果是输出功率达到饱和。当放大器的增益偏离常数或比其他小信号增益低 1dB 时，这个点就是大名鼎鼎的 1dB 压缩点（P1dB）。
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/ C2 c9 q6 E7 M8 S效率。由于功放是功率元件，需要消耗供电电流。因此功放的效率对于整个系统的效率来讲极为重要。功率效率是功放的射频输出功率与供给晶体管的直流功率之比。
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交调失真。交调失真是指具有不同频率的两个或者更多的输入信号通过功率放大器而产生的混合分量。这是由于功放的非线性特质造成的。

  I& @7 b, o: X* |; U: |# A三阶交调截止点（IP3）。IP3 也是功放非线性的重要指标。当输出功率一定时，三阶交调截止点输出功率越大，功放的线性度就越好。

动态范围。功放的动态范围一般是指最小可检测信号到线性工作区最大输入功率之间的差值。自然，这个值肯定是越大越好。

1 B2 o# |4 b1 G' H0 I0 C谐波失真。当输入信号增加到一定程度后，功放会由于工作到了非线性区产生一系列谐波。对于大功率放大器系统中，一般需要用滤波器将谐波降到 60dBc 以下。

输入 / 输出驻波比。表明功放和整个系统的匹配程度。输入、输出比变坏会导致系统的增益起伏和群时延变坏。但是高驻波比的功放是比较难以设计的，一般的系统中，都会需要要求功放的输入驻波比低于 2：1。
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