在我(wo)(wo)們(men)使(shi)用的無線設備(bei)中，經常(chang)會聽到到一個詞，設備(bei)的功率是多(duo)少(shao)瓦的，而我(wo)(wo)們(men)也常(chang)常(chang)認為，設備(bei)的功率越大(da)越好。到底是不是這樣呢，今(jin)天(tian)我(wo)(wo)們(men)就帶大(da)家來了解一下功率放大(da)器的知(zhi)識。

一 、什么是RF功率放大器

       功率(lv)(lv)(lv)放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)是把輸(shu)入(ru)信號放(fang)大(da)(da)(da)并向負(fu)載提供足(zu)(zu)夠(gou)(gou)大(da)(da)(da)的功率(lv)(lv)(lv)的放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)。射(she)(she)頻(pin)(pin)功率(lv)(lv)(lv)放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)（RF PA）是發射(she)(she)系(xi)統中(zhong)的主要部(bu)分，其重要性不(bu)言而喻。在發射(she)(she)機的前級(ji)(ji)電路中(zhong)，調制(zhi)振(zhen)蕩(dang)電路所產生的射(she)(she)頻(pin)(pin)信號功率(lv)(lv)(lv)很小，需要經過一系(xi)列的放(fang)大(da)(da)(da)（緩(huan)沖級(ji)(ji)、中(zhong)間放(fang)大(da)(da)(da)級(ji)(ji)、末級(ji)(ji)功率(lv)(lv)(lv)放(fang)大(da)(da)(da)級(ji)(ji)）獲得(de)足(zu)(zu)夠(gou)(gou)的射(she)(she)頻(pin)(pin)功率(lv)(lv)(lv)以后，才能饋送到天線上輻射(she)(she)出去(qu)。為了獲得(de)足(zu)(zu)夠(gou)(gou)大(da)(da)(da)的射(she)(she)頻(pin)(pin)輸(shu)出功率(lv)(lv)(lv)，必須采用射(she)(she)頻(pin)(pin)功率(lv)(lv)(lv)放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)。在調制(zhi)器(qi)產生射(she)(she)頻(pin)(pin)信號后，射(she)(she)頻(pin)(pin)已調信號就由RF PA將它放(fang)大(da)(da)(da)到足(zu)(zu)夠(gou)(gou)功率(lv)(lv)(lv)，經匹配(pei)網絡，再由天線發射(she)(she)出去(qu)。

       放(fang)大器(qi)(qi)(qi)的(de)功(gong)能，即將輸(shu)入的(de)內容加以放(fang)大并輸(shu)出(chu)(chu)。輸(shu)入和(he)輸(shu)出(chu)(chu)的(de)內容，我們(men)稱之為“信號”，往往表(biao)示為電壓或功(gong)率(lv)(lv)。射頻(pin)功(gong)率(lv)(lv)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)的(de)主要技(ji)術指(zhi)標(biao)是輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)與效率(lv)(lv)，如何提(ti)高輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)和(he)效率(lv)(lv)，是射頻(pin)功(gong)率(lv)(lv)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)設計目標(biao)的(de)核心。通常在射頻(pin)功(gong)率(lv)(lv)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)中，可(ke)以用LC諧(xie)振回路選(xuan)出(chu)(chu)基(ji)頻(pin)或某次(ci)諧(xie)波，實(shi)現不失真放(fang)大。除(chu)此之外，輸(shu)出(chu)(chu)中的(de)諧(xie)波分量還應該盡可(ke)能地小，以避免對其他頻(pin)道產(chan)生干擾。

       根據工作狀(zhuang)態的不(bu)同，功率放大(da)器可分為：線(xian)性功率放大(da)器和(he)開關型功率方法器。

線性(xing)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)的(de)(de)工(gong)(gong)作頻(pin)率(lv)(lv)(lv)很高，但相對頻(pin)帶較(jiao)窄(zhai)，射(she)頻(pin)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)一般都采(cai)用選(xuan)頻(pin)網絡作為(wei)負(fu)載(zai)回(hui)路(lu)。線性(xing)射(she)頻(pin)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)可以按照電(dian)流(liu)(liu)導通(tong)角(jiao)(jiao)的(de)(de)不同，分為(wei)甲(jia)(jia)（A）、乙（B）、丙(bing)(bing)（C）三(san)(san)類(lei)工(gong)(gong)作狀(zhuang)態(tai)。甲(jia)(jia)類(lei)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)電(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)導通(tong)角(jiao)(jiao)為(wei)360°，適用于(yu)(yu)小信(xin)號(hao)低功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)，乙類(lei)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)電(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)導通(tong)角(jiao)(jiao)等于(yu)(yu)180°，丙(bing)(bing)類(lei)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)電(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)導通(tong)角(jiao)(jiao)則小于(yu)(yu)180°。乙類(lei)和(he)丙(bing)(bing)類(lei)都適用于(yu)(yu)大(da)(da)(da)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)工(gong)(gong)作狀(zhuang)態(tai)，丙(bing)(bing)類(lei)工(gong)(gong)作狀(zhuang)態(tai)的(de)(de)輸出功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)和(he)效率(lv)(lv)(lv)是(shi)三(san)(san)種工(gong)(gong)作狀(zhuang)態(tai)中最高的(de)(de)。射(she)頻(pin)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)大(da)(da)(da)多工(gong)(gong)作于(yu)(yu)丙(bing)(bing)類(lei)，但丙(bing)(bing)類(lei)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)器(qi)(qi)的(de)(de)電(dian)流(liu)(liu)波(bo)(bo)形(xing)(xing)失真太(tai)大(da)(da)(da)，只能用于(yu)(yu)采(cai)用調諧(xie)回(hui)路(lu)作為(wei)負(fu)載(zai)諧(xie)振功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)。由于(yu)(yu)調諧(xie)回(hui)路(lu)具(ju)有濾波(bo)(bo)能力，回(hui)路(lu)電(dian)流(liu)(liu)與電(dian)壓(ya)仍然接(jie)近于(yu)(yu)正弦波(bo)(bo)形(xing)(xing)，失真很小。

       開(kai)(kai)關型功率(lv)放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)（Switching Mode PA，SMPA），使電(dian)子器(qi)件工作于開(kai)(kai)關狀態，常見的(de)有丁(ding)（D）類放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)和戊（E）類放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)，丁(ding)類放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)高(gao)于丙類放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)。SMPA將(jiang)有源晶體管(guan)驅動為(wei)開(kai)(kai)關模式，晶體管(guan)的(de)工作狀態要(yao)么(me)是開(kai)(kai)，要(yao)么(me)是關，其電(dian)壓和電(dian)流的(de)時域波形不存在交疊現象，所以(yi)是直(zhi)流功耗為(wei)零，理想(xiang)的(de)效(xiao)率(lv)能達到(dao)100%。

總體來講，傳統(tong)線性功(gong)(gong)(gong)率(lv)放(fang)大器(qi)具有(you)較高的增益(yi)和線性度但效率(lv)低，而(er)開關型功(gong)(gong)(gong)率(lv)放(fang)大器(qi)具有(you)很高的效率(lv)和高輸出功(gong)(gong)(gong)率(lv)，但線性度差。

二、功率放大器的工藝

       目前(qian)功率(lv)(lv)放(fang)(fang)大(da)器(qi)的(de)(de)(de)主流工(gong)(gong)藝(yi)依然是GaAs工(gong)(gong)藝(yi)。另外，GaAs HBT，砷化(hua)鎵(jia)異質結雙(shuang)極晶體管(guan)。其(qi)中HBT（heterojuncTIon bipolar transistor，異質結雙(shuang)極晶體管(guan)）是一種由砷化(hua)鎵(jia)（GaAs）層和鋁鎵(jia)砷（AlGaAs）層構成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)雙(shuang)極晶體管(guan)。CMOS工(gong)(gong)藝(yi)雖然已經比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)成(cheng)(cheng)熟，但Si CMOS功率(lv)(lv)放(fang)(fang)大(da)器(qi)的(de)(de)(de)應用(yong)并不廣泛。成(cheng)(cheng)本方(fang)面，CMOS工(gong)(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)硅晶圓雖然比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)便(bian)宜，但CMOS功放(fang)(fang)版圖面積比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，再(zai)加上(shang)CMOS PA復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)設計(ji)所投入的(de)(de)(de)研發(fa)成(cheng)(cheng)本較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)高，使得(de)CMOS功放(fang)(fang)整體的(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)本優勢(shi)并不那么明顯。性(xing)能方(fang)面，CMOS功率(lv)(lv)放(fang)(fang)大(da)器(qi)在線性(xing)度，輸出功率(lv)(lv)，效率(lv)(lv)等方(fang)面的(de)(de)(de)性(xing)能較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)差，再(zai)加上(shang)CMOS工(gong)(gong)藝(yi)固有的(de)(de)(de)缺(que)點：膝(xi)點電(dian)壓(ya)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)高、擊穿電(dian)壓(ya)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)低、CMOS工(gong)(gong)藝(yi)基片襯底的(de)(de)(de)電(dian)阻率(lv)(lv)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)低。

三、功率放大器發展趨勢

       英國研(yan)究公司Technavio 稱，全球功率放(fang)大(da)器(qi)市(shi)場主(zhu)要有三個四發(fa)展趨(qu)勢(shi)：晶圓尺寸(cun)增大(da)；初創(chuang)企業采用(yong)CMOS 技(ji)術；國防領域的高(gao)速放(fang)大(da)器(qi)需求逐(zhu)漸增大(da)：利用(yong)InGaP 工藝，實(shi)現功率放(fang)大(da)器(qi)的低功耗和(he)高(gao)效率。

       晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)尺寸變大(da)。半(ban)導體行業(ye)見(jian)證了過去40 年晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)尺寸的變化，砷化鎵（GaAs）晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)尺寸從(cong)50mm 增大(da)到150mm，制造(zao)(zao)成(cheng)本(ben)降(jiang)(jiang)低了20%～25%。目前，業(ye)界(jie)制造(zao)(zao)功率放大(da)器通(tong)常采用(yong)150mm晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)。預(yu)測150mm 晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)還將繼續使(shi)(shi)用(yong)，因(yin)為(wei)臺灣的穩(wen)懋半(ban)導體公(gong)司(si)等制造(zao)(zao)商還在大(da)力投(tou)資升級和新建(jian)150mm 工廠。業(ye)內正在開發200mm 晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)技術，預(yu)計2018 年底能夠試生產。斯坦福大(da)學研究人員正在研究降(jiang)(jiang)低200mm GaAs 晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)的價格(ge)，使(shi)(shi)其可以以較低的價格(ge)與硅晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)爭奪市(shi)場。同時這也對掩膜(mo)版檢(jian)測設備登晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)(yuan)制造(zao)(zao)設備提出需求。

       初(chu)創公司(si)采用(yong)CMOS技(ji)(ji)術(shu)。一(yi)些(xie)初(chu)創企業，如Acco Semiconductor ， 正越(yue)來越(yue)多的(de)采用(yong)CMOS 技(ji)(ji)術(shu)。Acco Semiconductor 抓住移動手(shou)機(ji)和物聯網產品對射頻功(gong)率(lv)放大(da)(da)(da)器巨(ju)大(da)(da)(da)需求的(de)機(ji)會，已(yi)經(jing)投資350 億美(mei)元擴展其基于(yu)(yu)CMOS 的(de)射頻功(gong)率(lv)放大(da)(da)(da)器業務。目前絕大(da)(da)(da)多數功(gong)率(lv)放大(da)(da)(da)器采用(yong)鍺硅(gui)（SiGe）或GaAs 技(ji)(ji)術(shu)，而非CMOS。但(dan)根據(ju)報告可知，基于(yu)(yu)CMOS 工(gong)藝有助于(yu)(yu)實現低(di)成本、高性(xing)能的(de)功(gong)率(lv)放大(da)(da)(da)器。

       國防領(ling)(ling)域需(xu)要高(gao)速放(fang)大器(qi)。軍(jun)事(shi)領(ling)(ling)域需(xu)要更(geng)高(gao)效的(de)利用頻譜，更(geng)多(duo)的(de)使(shi)用移動(dong)設備來(lai)通信。因此，Technavio 公(gong)(gong)司稱，軍(jun)事(shi)領(ling)(ling)域要求高(gao)速功率(lv)放(fang)大器(qi)。美國國防先期研究計(ji)劃局（DARPA）在太赫(he)茲(zi)(zi)電子項目中已取得(de)進展(zhan)，即美國諾·格公(gong)(gong)司開(kai)發了出(chu)固態功率(lv)放(fang)大器(qi)和(he)行(xing)波管放(fang)大器(qi)，這是僅有的(de)兩款太赫(he)茲(zi)(zi)頻率(lv)產(chan)品。太赫(he)茲(zi)(zi)頻段(duan)的(de)功率(lv)放(fang)大器(qi)可(ke)用于(yu)許(xu)多(duo)領(ling)(ling)域，包括高(gao)分辨率(lv)安(an)全成像(xiang)、高(gao)數(shu)據速率(lv)通信、防撞雷達、遠距離危(wei)險化學品和(he)爆炸(zha)物探測系統等(deng)，這些(xie)設備的(de)高(gao)速率(lv)運行(xing)要求必須使(shi)用高(gao)速放(fang)大器(qi)。

利(li)用(yong)InGaP 工藝(yi)，實現功(gong)率(lv)放大(da)器的(de)低(di)功(gong)耗和高(gao)效率(lv)。InGaP 特別(bie)適合要求相當高(gao)功(gong)率(lv)輸出(chu)的(de)高(gao)頻(pin)應(ying)用(yong)。InGaP 工藝(yi)的(de)改進(jin)讓(rang)產量(liang)得(de)到了(le)(le)(le)提(ti)高(gao)，并帶來了(le)(le)(le)更高(gao)程度的(de)集(ji)成(cheng)，使芯(xin)(xin)片可(ke)以(yi)集(ji)成(cheng)更多功(gong)能。這樣既簡化了(le)(le)(le)系統設計，降低(di)了(le)(le)(le)原材料(liao)成(cheng)本，也(ye)節省了(le)(le)(le)板空間。有些InGaP PA 也(ye)采(cai)用(yong)包含了(le)(le)(le)CMOS 控(kong)制(zhi)電(dian)路的(de)多芯(xin)(xin)片封(feng)裝。如今(jin)，在接收端集(ji)成(cheng)了(le)(le)(le)PA 和低(di)噪音放大(da)器（LNA）并結合了(le)(le)(le)RF 開(kai)關的(de)前端WLAN 模塊(kuai)已經可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)精簡型(xing)封(feng)裝。例如，ANADIGICS 公司提(ti)出(chu)的(de)InGaP-Plus 工藝(yi)可(ke)以(yi)在同一個(ge)InGaP 芯(xin)(xin)片上集(ji)成(cheng)雙(shuang)極晶(jing)體(ti)管和場效應(ying)晶(jing)體(ti)管。這一技術正被(bei)用(yong)于尺寸和PAE（功(gong)率(lv)增加效率(lv)）有所改進(jin)的(de)新型(xing)CDMA 和WCDMA 功(gong)率(lv)放大(da)器。

四、功率放大器的主要指標

 ;      工作(zuo)頻率范圍。一(yi)般來講，是(shi)指放(fang)大器的(de)線性工作(zuo)頻率范圍。如果頻率從DC 開(kai)始，則認為(wei)放(fang)大器是(shi)直(zhi)流放(fang)大器。

       增(zeng)益(yi)。工作(zuo)增(zeng)益(yi)是(shi)衡量放大(da)(da)器(qi)放大(da)(da)能力的(de)(de)(de)主要指標(biao)。增(zeng)益(yi)的(de)(de)(de)定義(yi)是(shi)放大(da)(da)器(qi)輸(shu)出端(duan)口傳送到負載的(de)(de)(de)功率與信(xin)號源實際傳送到放大(da)(da)器(qi)輸(shu)入端(duan)口的(de)(de)(de)功率之比(bi)。增(zeng)益(yi)平坦度，是(shi)指在一(yi)(yi)定溫度下(xia)，整個(ge)(ge)工作(zuo)頻帶范圍內放大(da)(da)器(qi)增(zeng)益(yi)的(de)(de)(de)變(bian)化范圍，也是(shi)放大(da)(da)器(qi)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)(ge)主要指標(biao)。

       輸出功(gong)(gong)率和1dB 壓縮點（P1dB）。當輸入功(gong)(gong)率超(chao)過(guo)一定量值后，晶(jing)體管的增(zeng)益(yi)開始下降，最(zui)終結(jie)果(guo)是輸出功(gong)(gong)率達到飽和。當放(fang)大器的增(zeng)益(yi)偏離常(chang)數(shu)或比其他小信號增(zeng)益(yi)低1dB 時，這個(ge)點就是大名鼎鼎的1dB壓縮點（P1dB）。

       效(xiao)率。由于功(gong)放(fang)(fang)是功(gong)率元件(jian)，需要消(xiao)耗供電電流(liu)。因(yin)此功(gong)放(fang)(fang)的效(xiao)率對(dui)于整(zheng)個系統的效(xiao)率來講極為重要。功(gong)率效(xiao)率是功(gong)放(fang)(fang)的射頻輸出功(gong)率與供給晶體管的直流(liu)功(gong)率之比(bi)。

交調失(shi)真(zhen)(zhen)。交調失(shi)真(zhen)(zhen)是指具有不同頻(pin)率的(de)(de)兩(liang)個或(huo)者更多的(de)(de)輸入信號(hao)通過功(gong)率放大器而產生的(de)(de)混合(he)分量。這是由于功(gong)放的(de)(de)非(fei)線性(xing)特質造(zao)成的(de)(de)。

       三階(jie)交(jiao)調(diao)截止(zhi)(zhi)點（IP3）。IP3 也是功放(fang)非線(xian)性(xing)的(de)重要指標。當輸出功率一定時，三階(jie)交(jiao)調(diao)截止(zhi)(zhi)點輸出功率越(yue)大，功放(fang)的(de)線(xian)性(xing)度就越(yue)好(hao)。

       動(dong)態范(fan)圍。功放的動(dong)態范(fan)圍一般是(shi)指最小可檢測信(xin)號到線性工作區最大輸入功率之間的差值(zhi)。自然，這個值(zhi)肯(ken)定是(shi)越(yue)大越(yue)好。

       諧波(bo)失真。當輸入信號增加(jia)到一(yi)(yi)定程度后，功放會由于(yu)工作到了非線性區產生(sheng)一(yi)(yi)系(xi)(xi)列諧波(bo)。對于(yu)大(da)功率放大(da)器系(xi)(xi)統(tong)中，一(yi)(yi)般需要(yao)用濾波(bo)器將(jiang)諧波(bo)降到60dBc 以下(xia)。

       輸(shu)(shu)入/輸(shu)(shu)出駐波比(bi)(bi)(bi)。表明功(gong)放和整個系統的(de)匹配(pei)程度(du)。輸(shu)(shu)入、輸(shu)(shu)出比(bi)(bi)(bi)變壞會(hui)導致(zhi)系統的(de)增益(yi)起伏和群時延(yan)變壞。但是高駐波比(bi)(bi)(bi)的(de)功(gong)放是比(bi)(bi)(bi)較難以設計的(de)，一般的(de)系統中，都會(hui)需要(yao)要(yao)求(qiu)功(gong)放的(de)輸(shu)(shu)入駐波比(bi)(bi)(bi)低(di)于(yu)2：1。