關(guān)于射頻芯片中的功率放大器知識(shí)淺析

一、射頻芯片市場(chǎng)

根據(jù) Yole Development 的統(tǒng)計(jì)，2G 制式智能手機(jī)中射頻前端芯片的價(jià)值為0.9 美元，3G 制式智能手機(jī)中大幅上升到3.4 美元，支持區(qū)域性4G 制式的智能手機(jī)中射頻前端芯片的價(jià)值已經(jīng)達(dá)到6.15美元，高端LTE 智能手機(jī)達(dá)到12-15 美元，是2G 制式智能手機(jī)中射頻前端芯片的17 倍。預(yù)計(jì)到2023 年手機(jī)射頻（RF）前端模塊和組件將達(dá)到350 億美元，17-23 年復(fù)合年增長(zhǎng)率為14%。

各種手機(jī)射頻前端組件的增速不一，如天線調(diào)諧器（Antenna tuners）

的復(fù)合年增長(zhǎng)率為40%，濾波器（Filters）的復(fù)合年增長(zhǎng)率為21%，射頻開(kāi)關(guān)（Switches）的復(fù)合年增長(zhǎng)率為12%，而射頻功率放大器和低噪聲放大器（PAs & LNAs）的復(fù)合年增長(zhǎng)率僅為1%。

4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片增至5-7顆，StrategyAnalytics預(yù)測(cè)稱5G時(shí)代手機(jī)內(nèi)的PA或多達(dá)16顆之多。就工藝材料來(lái)說(shuō)，目前砷化鎵PA是主流，CMOS PA由于參數(shù)性能的影響，只用于低端市場(chǎng)。4G特別是例如高通等LTE cat16，4x20MHZ的載波聚合技術(shù)，對(duì)PA線性度高Q值得要求，會(huì)進(jìn)一步依賴砷化鎵PA。同時(shí)，據(jù)Qorvo預(yù)測(cè)，隨著5G的普及， 8GHz以下砷化鎵PA仍是主流，但8GHz以上氮化鎵有望在手機(jī)市場(chǎng)成為主力。隨著無(wú)線通訊協(xié)議的復(fù)雜化及射頻前端芯片設(shè)計(jì)的不斷演進(jìn)， PA設(shè)計(jì)廠商往往將開(kāi)關(guān)或雙工器等功能與功率放大電路集成在一個(gè)芯片封裝中，形成多種功能組合。根據(jù)實(shí)際情況，TxM（PA+Switch）、PAD（PA+ Duplexer）、 MMPA（多模多頻PA）等多種復(fù)合功能的PA芯片類型。

二、什么是RF功率放大器

功率放大器是把輸入信號(hào)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(jí)電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過(guò)一系列的放大（緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)）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(hào)后，射頻已調(diào)信號(hào)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。

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(hào)”，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(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。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(duì)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(kāi)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(duì)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(hào)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。

開(kāi)關(guān)型功率放大器（Switching Mode PA，SMPA），使電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，常見(jiàn)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(dòng)為開(kāi)關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開(kāi)，要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)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100%。

總體來(lái)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(kāi)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。

三、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(jì)所投入的研發(fā)成本較高，使得CMOS功放整體的成本優(yōu)勢(shì)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(diǎn)：膝點(diǎn)電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電阻率較低。

四、功率放大器發(fā)展趨勢(shì)

英國(guó)研究公司Technavio 稱，全球功率放大器市場(chǎng)主要有三個(gè)四發(fā)展趨勢(shì)：晶圓尺寸增大；初創(chuàng)企業(yè)采用CMOS 技術(shù)；國(guó)防領(lǐng)域的高速放大器需求逐漸增大：利用InGaP 工藝，實(shí)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(jiàn)證了過(guò)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(cè)150mm 晶圓還將繼續(xù)使用，因?yàn)?**的穩(wěn)懋半導(dǎo)體公司等制造商還在大力投資升級(jí)和新建150mm 工廠。業(yè)內(nèi)正在開(kāi)發(fā)200mm 晶圓技術(shù)，預(yù)計(jì)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(jià)格，使其可以以較低的價(jià)格與硅晶圓爭(zhēng)奪市場(chǎng)。同時(shí)這也對(duì)掩膜版檢測(cè)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(lái)越多的采用CMOS 技術(shù)。Acco Semiconductor 抓住移動(dòng)手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)射頻功率放大器巨大需求的機(jī)會(huì)，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(bào)告可知，基于CMOS 工藝有助于實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的功率放大器。

國(guó)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(dòng)設(shè)備來(lái)通信。因此，Technavio 公司稱，軍事領(lǐng)域要求高速功率放大器。美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）在太赫茲電子項(xiàng)目中已取得進(jìn)展，即美國(guó)諾·格公司開(kāi)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(xiǎn)化學(xué)品和爆炸物探測(cè)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(shí)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(lái)了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。這樣既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(kāi)關(guān)的前端WLAN 模塊已經(jīng)可以采用精簡(jiǎn)型封裝。例如，ANADIGICS 公司提出的InGaP-Plus 工藝可以在同一個(gè)InGaP 芯片上集成雙極晶體管和場(chǎng)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。

五、功率放大器的主要指標(biāo)

工作頻率范圍。一般來(lái)講，是指放大器的線性工作頻率范圍。如果頻率從DC 開(kāi)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(hào)源實(shí)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(gè)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(gè)主要指標(biāo)。

輸出功率和1dB 壓縮點(diǎn)（P1dB）。當(dāng)輸入功率超過(guò)一定量值后，晶體管的增益開(kāi)始下降，最終結(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(hào)增益低1dB 時(shí)，這個(gè)點(diǎn)就是大名鼎鼎的1dB壓縮點(diǎn)（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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的效率來(lái)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(gè)或者更多的輸入信號(hào)通過(guò)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(diǎn)（IP3）。IP3 也是功放非線性的重要指標(biāo)。當(dāng)輸出功率一定時(shí)，三階交調(diào)截止點(diǎn)輸出功率越大，功放的線性度就越好。

動(dòng)態(tài)范圍。功放的動(dòng)態(tài)范圍一般是指最小可檢測(cè)信號(hào)到線性工作區(qū)最大輸入功率之間的差值。自然，這個(gè)值肯定是越大越好。

諧波失真。當(dāng)輸入信號(hào)增加到一定程度后，功放會(huì)由于工作到了非線性區(qū)產(chǎn)生一系列諧波。對(duì)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(gè)系統(tǒng)的匹配程度。輸入、輸出比變壞會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的增益起伏和群時(shí)延變壞。但是高駐波比的功放是比較難以設(shè)計(jì)的，一般的系統(tǒng)中，都會(huì)需要要求功放的輸入駐波比低于2：1。