RF功率放大101：處理非理想

在任何基礎(chǔ)教程中介紹放大器時(shí)，討論通常假設(shè)使用的是理想的晶體管。它們的特性包括漏源電流 （Ids） 與柵源電壓 （Vgs） 的線性跨導(dǎo)或線性變化，當(dāng)在閾值電壓 Vt 處達(dá)到夾斷的極限條件或在 I最大值達(dá)到硬飽和時(shí)，具有很強(qiáng)的非線性或突然性（圖 1）。

圖 1：理想晶體管的傳輸特性。

因此，這種強(qiáng)非線性跨導(dǎo)器件是一種電壓控制電流源，輸出電導(dǎo)為零，導(dǎo)通電壓為零。

本系列的前兩篇關(guān)于RF功率放大器（PA）基礎(chǔ)知識(shí)的文章都做出了這樣的假設(shè)，既可以根據(jù)柵極偏置對(duì)放大器進(jìn)行分類，又可以計(jì)算其最佳情況下的效率。如果這些假設(shè)成為選擇放大器工作模式或柵極偏置的基礎(chǔ)，工程師們確實(shí)會(huì)從實(shí)際設(shè)計(jì)中大吃一驚。

本系列的第三部分也是最后一部分在重新審視柵極偏置和效率時(shí)考慮了實(shí)際波形和晶體管行為。

3個(gè)關(guān)鍵的非理想性

上一篇文章演示了如何通過(guò)實(shí)施F類或反向F放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)100%的效率，并犧牲一些線性度。在那里，如果不是因?yàn)橹饕娜齻€(gè)非理想性，對(duì)RF PA操作的完美選擇的尋找可能會(huì)結(jié)束。

第一個(gè)與我們假設(shè)由添加三次諧波產(chǎn)生的完美方波有關(guān)。實(shí)際上，方波只有在添加無(wú)限數(shù)量的奇次諧波的情況下才有可能，如第一篇文章中所討論的那樣。添加三次諧波對(duì)波形的整形有顯著影響，但不會(huì)產(chǎn)生先前假設(shè)的理想方波。這會(huì)產(chǎn)生效率成本（圖 2）。

圖 2：每個(gè)非理想性都會(huì)顯著降低 F 類效率。

下一個(gè)不理想的是膝電壓的存在。如圖2中的輸出特性所示，漏源電流I DS在導(dǎo)通后直至飽和，隨VDS線性變化。理想情況下，在電流飽和區(qū)，V DS的變化對(duì)I DS沒(méi)有影響，IDS僅隨柵源電壓VGS而變化。然而，曲線在變平之前會(huì)經(jīng)過(guò)“膝蓋”。

拐點(diǎn)限制或縮短動(dòng)態(tài)負(fù)載線擺幅，影響電流和電壓，從而降低RF輸出功率。這反過(guò)來(lái)又降低了B級(jí)和F級(jí)的效率。

第三個(gè)非理想性是“軟”開啟。晶體管的導(dǎo)通行為不是突然的，這是晶體管在超過(guò)給定閾值柵極電壓時(shí)表現(xiàn)出非線性跨導(dǎo)的結(jié)果。與相同給定VGS偏置的理想（突然）導(dǎo)通相比，這種軟導(dǎo)通增加了漏極電流的導(dǎo)通角（圖2）。

軟導(dǎo)通的主要缺點(diǎn)是增益擴(kuò)展，需要權(quán)衡一些效率以避免下面描述的幅度到幅度（AM-AM）失真。

對(duì)增益和AM-AM失真的影響

回想一下，F(xiàn)類對(duì)漏極電流使用半波整流或B類操作。這是通過(guò)將柵極偏置在閾值（之前假設(shè)為0 V）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。軟導(dǎo)通特性使夾斷點(diǎn)向左移動(dòng)（圖3）。

圖 3：由于軟導(dǎo)通特性，增益顯著呈非線性擴(kuò)展。

另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是，導(dǎo)通后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)增益顯著擴(kuò)展的區(qū)域（圖3，右）。想要放大器的增益平坦度是很直觀的，因?yàn)樵鲆娴淖兓瘯?huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，其中輸入信號(hào)的各個(gè)“部分”被不同的“量”放大。

通過(guò)檢查圖4可以更好地理解這種AM-AM失真及其隨柵極偏置而變化的方式。

圖 4：柵極偏置由彩色點(diǎn)向左表示，匹配增益和效率曲線如右圖所示。由于需要增益平坦度以避免AM-AM失真，因此通過(guò)偏置AB類操作的柵極來(lái)找到合適的權(quán)衡。

當(dāng)柵極偏置半波整流時(shí)，如在B類操作中，信號(hào)的導(dǎo)通部分會(huì)有明顯的增益膨脹。另一方面，A類操作（圖4中的虛點(diǎn)）繼續(xù)提供平坦的增益，但效率較差。

一個(gè)合適的折衷方案是AB類操作，其中柵極偏置位于A類和B類之間的某個(gè)區(qū)域，使得導(dǎo)通角大于π但小于2π。

圖 5：柵極偏置選擇還取決于預(yù)期的輸入信號(hào)幅度。

在AB類范圍內(nèi)，工程師在選擇柵極偏置時(shí)必須考慮預(yù)期的輸入信號(hào)幅度或其峰值。當(dāng)輸入信號(hào)很小，并且柵極偏置剛好高于夾斷時(shí)，器件顯示為線性（圖 5）。然而，功率放大器通常不是這種情況。

考慮到與晶體管相關(guān)的三個(gè)主要非理想因素，各種放大器類別提供的最大效率開始大不相同（圖 6）。

圖 6：由于晶體管非理想性而導(dǎo)致的各種放大器類別的效率下降。

B類效率受到膝蓋電壓?jiǎn)栴}的打擊，軟開啟會(huì)提高。然而，這并沒(méi)有考慮處理增益擴(kuò)展問(wèn)題所需的效率權(quán)衡。

另請(qǐng)注意，由于考慮了非理想性，AB 類操作似乎提供的效率變化最小。

其他非理想性

晶體管中的結(jié)構(gòu)層和結(jié)會(huì)產(chǎn)生其他非理想特性——寄生電容和電阻，如圖7所示。串聯(lián)電阻和分流電阻會(huì)導(dǎo)致壓降和損耗，從而進(jìn)一步影響效率，而寄生電容會(huì)導(dǎo)致失真。

RF功率晶體管中的三種主要寄生電容是輸入或Ciss（C gd + C gs），輸出或C oss（Cds + C gs）和反饋或Crss，這也是柵極到漏極電容C gd?？紤]這些電容的最大挑戰(zhàn)是它們與電壓無(wú)關(guān)。

圖 7：器件寄生電阻、電感和電容（左）引起的相變隨輸出功率而變化（右）。

此外，設(shè)備互連本身還充當(dāng)電感，在接近 1 GHz 及以上的高頻下變得很重要，這是當(dāng)今無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的典型特征。

非線性電容或變?nèi)?a target="_blank">二極管會(huì)導(dǎo)致相位失真隨輸出功率非線性變化，并使寄生L-C-R組合在RF PA設(shè)計(jì)期間難以管理。

由此產(chǎn)生的相位幅度（AM-PM）失真與前面討論的AM-AM變化相結(jié)合，可能導(dǎo)致數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸不正確的符號(hào)，從而傳輸信息。

峰值效率

回顧一下本系列第二部分中為 A 類、B 類和 F 類放大器計(jì)算的理論效率。請(qǐng)注意，這些是在峰值輸入信號(hào)電平下計(jì)算的。實(shí)際上，信號(hào)在峰值以下花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致平均功率低得多，與峰值信號(hào)概率密度一致（圖 8）。

另一方面，峰值效率是在峰值輸出功率下實(shí)現(xiàn)的。雖然希望始終從RF PA獲得最佳效率，但工作點(diǎn)必須低于峰值輸出功率，以便信號(hào)偏移不超過(guò)最大允許電平。

圖 8：功率效率與輸出功率的函數(shù)關(guān)系。峰值效率是在峰值輸出功率水平下實(shí)現(xiàn)的。

更具挑戰(zhàn)性的是，當(dāng)今的數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)使用的調(diào)制方案允許輸入信號(hào)發(fā)生相當(dāng)大的變化，并要求高峰均功率比（PAPR）。

這就要求工程師采用Doherty放大器等配置，該放大器與兩個(gè)PA并聯(lián)：“主”和“輔助”。通常偏置在AB類的“主”放大器經(jīng)過(guò)負(fù)載調(diào)諧，以提供接近平均功率的高效率。偏置低于夾斷的“輔助”放大器僅在較高功率范圍內(nèi)導(dǎo)通，從而產(chǎn)生負(fù)載調(diào)制效應(yīng)，以保持高效率一直到峰值功率。另一種補(bǔ)救措施稱為“包絡(luò)跟蹤”，它使用傳統(tǒng)RF PA的電源電壓包絡(luò)衍生調(diào)制 - 動(dòng)態(tài)控制電源電壓。

選擇適合應(yīng)用的權(quán)衡

晶體管的非理想行為因底層半導(dǎo)體技術(shù)而異。例如，與LDMOS相比，基于寬帶隙材料氮化鎵（GaN）的器件解決了拐點(diǎn)電壓?jiǎn)栴}，提供了相當(dāng)?shù)偷募纳娙荩叩墓ぷ黝l率和更高的功率密度。

雖然LDMOS性能僅限于較低頻率，但GaN在較高頻率（例如10.15 GHz應(yīng)用）下的效率提高了3%至5%。GaN器件在SiC襯底上制造，還具有更高的導(dǎo)熱性，使其能夠在比其他技術(shù)更高的電壓和更高的功率密度下運(yùn)行，這反過(guò)來(lái)也解決了終端設(shè)備尺寸方面的考慮因素。

因此，必須了解應(yīng)用要求，并相應(yīng)地選擇提供最合適的非理想集的器件技術(shù)以及設(shè)計(jì)權(quán)衡，例如與柵極偏置相關(guān)的設(shè)計(jì)權(quán)衡。

審核編輯：郭婷