射頻PA的架構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

自2019年5G元年開(kāi)始，過(guò)去3年5G建設(shè)如火如荼的進(jìn)行。5G快速發(fā)展中，受益最大的就是射頻前端芯片。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，至2026年，全球射頻前端總市場(chǎng)將達(dá)到216.7億美金，與2019年的124.1億美金相比，7年增長(zhǎng)率達(dá)74.6%。

射頻前端芯片是無(wú)線通信的核心器件，是指天線之后、收發(fā)機(jī)之前的功能模塊，因?yàn)槲挥?a target="_blank">通信系統(tǒng)的最前端，所以被稱為“射頻前端”，一般包含功率放大器、濾波器/雙工器、開(kāi)關(guān)以及低噪聲放大器。

圖：射頻前端的構(gòu)成及功能

射頻PA(Power Amplifier，功率放大器)是射頻前端中的重要器件，其性能直接決定信號(hào)的強(qiáng)弱、穩(wěn)定性、功耗等重要因素，決定用戶體驗(yàn)。其核心參數(shù)包括增益、帶寬、效率、線性度、最大輸出功率等，眾多平衡的性能指標(biāo)非常考驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

圖：射頻PA在芯片設(shè)計(jì)中的位置

隨著5G的發(fā)展，對(duì)射頻PA的技術(shù)性能需求再次拉升，需要PA有更高的工作頻率、更高的功率、更大的帶寬，同時(shí)模組化的到來(lái)也需要PA設(shè)計(jì)滿足高集成度模組化的需求。

于是，不同架構(gòu)設(shè)計(jì)的PA被大家關(guān)注起來(lái)，除了日常聽(tīng)說(shuō)的單端PA，近年來(lái)手機(jī)應(yīng)用中還出現(xiàn)了如Push-pull PA、Balance PA、Doherty PA等等多種PA架構(gòu)。這些PA架構(gòu)分別指的是什么?它的原理是什么?應(yīng)用時(shí)有什么特點(diǎn)?本文將對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行討論。

PA的設(shè)計(jì)理念

PA是Power Amplifier(功率放大器)的縮寫，是一類主要用于功率放大輸出的放大器類型。與其他放大器，如低噪聲放大器、驅(qū)動(dòng)放大器不同，功率放大器的主要目的是從直流榨取出盡量多的射頻信號(hào)，而不是僅僅關(guān)注增益。

為了達(dá)到足夠高的功率輸出，PA的輸出放棄了用來(lái)最大信號(hào)“傳輸”的共軛匹配，而采用了可以實(shí)現(xiàn)最大功率“輸出”的負(fù)載線匹配。另外，為了實(shí)現(xiàn)可控的直流消耗，PA設(shè)計(jì)必須考慮效率優(yōu)化設(shè)計(jì)。

負(fù)載線匹配使得PA的電壓與電流擺幅均達(dá)到最大，也即達(dá)到了最大功率輸出的目標(biāo)。有關(guān)PA負(fù)載線設(shè)計(jì)的理念，可參考文章《5G PA的Load-line與Load-pull》點(diǎn)擊藍(lán)字跳轉(zhuǎn)。

圖：負(fù)載線理論與電壓/電流擺幅

以上僅為單個(gè)PA單元的設(shè)計(jì)思路與方法，在實(shí)際應(yīng)用中，有可能單個(gè)器件的電流、電壓擺幅不足以滿足PA整體指標(biāo)需求;也有可能需要結(jié)合架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)改善效率、改善駐波的需求。這時(shí)，就需要在PA架構(gòu)側(cè)做改進(jìn)。

PA的架構(gòu)設(shè)計(jì)

PA的核心目標(biāo)就是 “功率” ，不同PA的架構(gòu)也是圍繞“功率合成” 這一理念進(jìn)行的。在功率合成中，根據(jù)功率合成類型的不同，可以將功率合成分為“簡(jiǎn)單功率合成”與“特殊功率合成”。

“簡(jiǎn)單功率合成”是指將多個(gè)小功率器件進(jìn)行合成，直到合成至足夠大的功率。簡(jiǎn)單功率合成的方式有：電流合成、電壓合成、功率合成。

“特殊功率合成”是指利用較為特殊的合成方法，在合成的時(shí)候完成一些特殊的特性設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的合成方法有Push-pull(推挽)、Balance(平衡)、Doherty(多爾蒂)等。

以下將對(duì)幾種PA架構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

簡(jiǎn)單功率合成

電流合成

電流合成是最簡(jiǎn)單的功率合成方式，實(shí)現(xiàn)方式是將多個(gè)較小的器件進(jìn)行并聯(lián)連接，將電流進(jìn)行并聯(lián)。

圖：功率放大器的電流合成

在實(shí)現(xiàn)上，電流合并即在Layout中將多個(gè)晶體管的基極、集電極、發(fā)射極分別連接，由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在功率放大器的設(shè)計(jì)中被廣泛采用。

下圖為典型的GaAs功率放大器功率級(jí)版圖，圖中末級(jí)的功率輸出級(jí)由4列功率陣列(Power Array)構(gòu)成，每個(gè)功率陣列包含5個(gè)功率單元(Power cell)，共計(jì)20個(gè)功率單元，一起完成末級(jí)功率放大輸出。

圖：典型功率放大器功率級(jí)版圖

雖然電流合并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但在設(shè)計(jì)的時(shí)候也有許多要點(diǎn)需要注意：

單個(gè)功率陣列不易過(guò)長(zhǎng)，以確保電流是同相疊加

不同陣列之間合并時(shí)要注意走線的對(duì)稱性，保證電流合成時(shí)的相位相同

用于電流合并的走線較寬，要注意合理設(shè)計(jì)，減少走線帶來(lái)的寄生電容效應(yīng)

電流合并由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，在功率放大器中被廣泛使用。

電壓合成

除了電流合并方式外，還有一種簡(jiǎn)單合并方式是將電壓進(jìn)行合并。電壓合并的優(yōu)點(diǎn)是可以提高最優(yōu)輸出阻抗點(diǎn)，在做阻抗匹配時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更低的阻抗匹配損耗。

下圖為電壓合并方式的典型實(shí)現(xiàn)電路，以及實(shí)現(xiàn)示例[1]。

圖：采用電壓合并的典型電路，以及典型實(shí)現(xiàn)案例

電壓合并的方式適用于供電電壓遠(yuǎn)大于器件耐受電壓的場(chǎng)景，如有高壓供電環(huán)境;或者采用低壓器件進(jìn)行PA設(shè)計(jì)時(shí)。

當(dāng)前手機(jī)PA設(shè)計(jì)所使用的GaAs HBT 擊穿電壓VBCEO一般在10~25V之間，單個(gè)器件適用于5V以內(nèi)的直流Vcc偏置電壓。在2016年，業(yè)界公司嘗試將電池電壓由3.8V先升至11V左右，再供電給Cascode電壓合并的PA設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高輸出最優(yōu)阻抗，進(jìn)而提升PA整體效率的設(shè)計(jì)目的。此方案在2016年前后的一些旗艦手機(jī)中得到了成功采用。不過(guò)由于需要額外的升壓電路，影響了方案的通用性，此方案并未在業(yè)界推廣開(kāi)來(lái)。

功率合成

其實(shí)電流、電壓的合并都是在做功率合成，不過(guò)，還有一些功率合成方式不能嚴(yán)格的說(shuō)是在做電流合成還是在做電壓合成，就將其歸類為“功率合成”。

典型的功率合成方式是用功合器進(jìn)行功率合并，威爾金森(Wilkinson)功合器(功分器)就是一種簡(jiǎn)單的功合器。威爾金森功率合器與其設(shè)計(jì)的功率合成PA如下圖所示 [2]：

圖：典型的威爾金森功分器設(shè)計(jì)，以及其設(shè)計(jì)的功率合成PA

由于威爾金森功合器有三端口可以同時(shí)匹配的特性，所以采用其設(shè)計(jì)的功率合成PA設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需要單獨(dú)設(shè)計(jì)好各路PA，再進(jìn)行單獨(dú)進(jìn)行功率合成即可。不過(guò)，由于威爾金森功合器需要兩段λ/4傳輸線，并且兩支路之間需要并接100 Ohm電阻，在Layout實(shí)現(xiàn)時(shí)并不經(jīng)濟(jì)，在對(duì)面積有限制的設(shè)計(jì)中無(wú)法有效采用。

為了改善威爾金森功合器的面積制約，在一些設(shè)計(jì)中采用了直接二合一合并匹配(Binary Combine)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然采用這種方式不能達(dá)到三端口的完全匹配，但由于所占面積小，實(shí)現(xiàn)方便，在MMIC設(shè)計(jì)中得到了廣泛采用。下圖為采用直接二合一合并方式實(shí)現(xiàn)的PA設(shè)計(jì)[3]。

圖：采用二合一直接合并的方式實(shí)現(xiàn)的功率放大器

除了在功率合成器上的研究外，一些研究還采用變壓器(Transformer)或者直接空間功率合并的方式進(jìn)行功率合成[2]。

圖：采用威爾金森、變壓器，以及空間合并的功率合成示意圖

特殊功率合成

在“簡(jiǎn)單功率合成”中，功率合成的思路是將功率進(jìn)行簡(jiǎn)單合并，完成“1+1=2”的功率輸出。除了功率的簡(jiǎn)單合成外，還可以在功率合成中加入特殊設(shè)計(jì)，完成功率合成的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的特性。

一些常見(jiàn)的特殊功率合成方法有Push-pull(推挽)、Balance(平衡)、Doherty(多爾蒂)等。

Push-pull PA

Push-pullPA一般在中文中被譯為推挽PA。Push-pull PA的設(shè)計(jì)是將兩個(gè)分別正、反導(dǎo)通的放大器合并，完成整個(gè)周期波形合成輸出。這樣，每個(gè)單獨(dú)的PA就可以設(shè)計(jì)為高效率的Class B工作模式，PA整體有高的效率。

圖：Push-pull PA原理圖示

上圖所示的Push-Pull PA由NPN和PNP型兩個(gè)晶體管構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)正半周期及負(fù)半周期的信號(hào)導(dǎo)通。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于PNP型雙極型晶體管一般不易做成高速，而且在集成電路實(shí)現(xiàn)中，一般的Epi(外延層)只含有一種類型的晶體管，所以在射頻中常采用雙NPN型晶體管設(shè)計(jì)電路。

這個(gè)時(shí)候輸入和輸出就需要用到不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換電路，即巴倫(Balun，Balance to Unbalance)，來(lái)將兩路信號(hào)進(jìn)行反向。采用巴倫和雙NPN晶體管設(shè)計(jì)的Push-pull PA如下圖所示。不同于采用NPN+PNP設(shè)計(jì)的推挽 PA中有物理接地、兩路功放均與地為參考流動(dòng)，采用巴倫和雙NPN晶體管設(shè)計(jì)的Push-pull PA電流在兩路之間差分流動(dòng)，射頻以二者中間點(diǎn)為虛擬參考地。

圖：采用雙NPN型晶體管及巴倫設(shè)計(jì)的Push-Pull PA

需要說(shuō)明的是，Push-Pull PA不止可以用兩個(gè)Class B的PA進(jìn)行PA效率的提升，還可以用兩個(gè)ClassA的PA合并，進(jìn)行功率的合成提高。采用Class A進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，單個(gè)PA的效率并沒(méi)有提升，但輸出功率合成增加。采用兩個(gè)Class A PA進(jìn)行功率合成的示意圖如下圖所示。

圖：采用Class A PA設(shè)計(jì)的功率合成Push-Pull PA

巴倫是Push-pull PA的重要器件，巴倫是完成平衡信號(hào)(差分信號(hào))與非平衡信號(hào)(單端信號(hào))相互轉(zhuǎn)換的電路。在平衡信號(hào)側(cè)，信號(hào)以差分形式傳輸，相位相差180 °;在非平衡側(cè)，信號(hào)以地為參考，單端傳輸。雙線變壓器繞線法是常見(jiàn)的一種巴倫實(shí)現(xiàn)方法，采用雙繞線耦合的形式，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)不平衡到平衡的相互轉(zhuǎn)換[4]。并且，還可以改變線圈的比例，實(shí)現(xiàn)不同阻抗的變換。

圖：雙線變壓器繞線法實(shí)現(xiàn)的巴倫

在芯片設(shè)計(jì)中，通常利用多層金屬邊緣耦合(Edge Couple)或者寬邊耦合(Broad Side)的方式實(shí)現(xiàn)金屬線圈間的耦合。下圖為集成電路中的變壓器巴倫的實(shí)現(xiàn)[5]。

圖：集成電路中變壓器巴倫的實(shí)現(xiàn)及其等效電路

為了產(chǎn)生對(duì)稱的差分信號(hào)，巴倫在設(shè)計(jì)中一般注意線圈繞線的對(duì)稱;另外Push-pull PA兩個(gè)放大通路也需要對(duì)稱設(shè)計(jì)，這也就使得Push-pull PA較易識(shí)別：

有對(duì)稱的兩個(gè)PA放大通路

兩個(gè)PA放大通路的前后有對(duì)稱的繞線巴倫

下圖為典型的Push-pull PA芯片設(shè)計(jì)版圖[6]。

圖：典型的Push-pull PA芯片設(shè)計(jì)

Balance PA

BalancePA一般翻譯為平衡放大器，是另外一種特殊的功率合成方式。Balance PA與Push-pull PA相同，也是采用兩路PA進(jìn)行功率合并。不過(guò)與Push-pull PA的180 °功率分配與合成不同，Balance PA采用的是90 °的功率分配與合成。下圖為Balance PA的設(shè)計(jì)框圖。

圖：Balance PA設(shè)計(jì)框圖

BalancePA最大的特點(diǎn)是，只要兩路PA是完全對(duì)稱的，則兩路PA的反射信號(hào)將在輸入與輸出端口完全抵消，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出在較寬范圍內(nèi)有較好的VSWR，適合于對(duì)S11/S22有特殊需求的場(chǎng)景。Balance PA中反射信號(hào)的抵消原理可用下圖表示。

圖：平衡放大器對(duì)輸入駐波的改善作用

因?yàn)橛幸陨咸匦?，Balance PA有很好的S11/S22特性，文章[8]顯示，Balance PA架構(gòu)可以將以1.5GHz為中心頻率PA的S22實(shí)現(xiàn)由-10dB至-35dB的優(yōu)化，在1.4~1.6GHz范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)-15dB以下的S22。

但由于Balance PA對(duì)S11/S22的抵消以及功率的合成依賴于耦合器90 °的精準(zhǔn)相移，而耦合器的相移精度與頻率相關(guān)，所以Balance PA只能在一定頻率范圍內(nèi)控制有效。根據(jù)文章[8]顯示，在1.2~1.7GHz之外，Balance PA的S11/S22與S21與單端相比反而出現(xiàn)了惡化，在1.0GHz及2.0GHz處，S22惡化5~10dB，S21惡化5~7dB。

圖：Balance PA與單端PA的特性比較

由于在抵消點(diǎn)附近Balance PA表現(xiàn)出良好的S11/S22，同時(shí)有較好的負(fù)載不敏感特性，Balance PA在一些業(yè)界公司也被稱為L(zhǎng)oad Insensitive PA(負(fù)載不敏感PA)，簡(jiǎn)稱LIPA。

BalancePA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件是90°功率分配及合成器，其實(shí)現(xiàn)方式有多種方式，可以采用移相器的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以采用定向耦合器，或者90 °正交混合網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。下圖為采用移相的方式實(shí)現(xiàn)90 °功率分配與合成的Balance PA設(shè)計(jì)[9]。

圖：采用移相的方式實(shí)現(xiàn)90 °功率分配與合成的Balance PA設(shè)計(jì)

在微波/毫米波頻段，若采用集總的電感、電容移相，則器件值較小，較難實(shí)現(xiàn)。一般在微波/毫米波頻段會(huì)采用90 °耦合器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)90 °的功率分配與合成。下圖為采用定向耦合器方式實(shí)現(xiàn)90 °功率分配與合成的Balance PA設(shè)計(jì)[10]。

圖：采用定向耦合器方式實(shí)現(xiàn)90 °功率分配

與合成的Balance PA設(shè)計(jì)

BalancePA設(shè)計(jì)和特性的特殊性也可以用來(lái)識(shí)別Balance PA：

有對(duì)稱的兩個(gè)PA設(shè)計(jì)通路

有不對(duì)稱的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

測(cè)試S11/S22，在抵消點(diǎn)附近有較好的S11/S22

Doherty PA

DohertyPA近年來(lái)可謂是在手機(jī)射頻PA使用中備受關(guān)注的架構(gòu)，話題性非常強(qiáng)。Doherty PA引人注目的一個(gè)原因是它的高效特性，可以很好的緩解5G因?yàn)楣β侍嵘龓?lái)的功耗提升問(wèn)題。

DohertyPA對(duì)于效率的優(yōu)化是通過(guò)“動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)制效應(yīng)”，是靠“兩路工作在不同狀態(tài)的PA相互配合，使得PA的負(fù)載發(fā)生變化，從而優(yōu)化PA的回退特性”。雖然教科書(shū)上都是如此解釋，但一個(gè)PA的負(fù)載竟然可以靠另外一個(gè)PA的工作狀態(tài)來(lái)改變，聽(tīng)上去總是有些黑科技的意味，更加深了Doherty PA的神秘感。

DohertyPA近年來(lái)被手機(jī)PA設(shè)計(jì)所關(guān)注，但卻不是最近才被研制出來(lái)的新架構(gòu)。Doherty PA是由享有盛名的實(shí)驗(yàn)室：貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師William H. Doherty在1936年所發(fā)明的，距今已經(jīng)有近90年歷史。William H. Doherty最初研究的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)KW量級(jí)的高效跨大洋傳輸功率放大器，在Doherty PA被發(fā)明后，由于匹配的應(yīng)用場(chǎng)景還未出現(xiàn)，在整個(gè)20世紀(jì)的大部分時(shí)候，僅在AM發(fā)射機(jī)中有些應(yīng)用。

雖然Doherty PA發(fā)明之后在很長(zhǎng)時(shí)間里并沒(méi)有廣泛應(yīng)用，但這一切都是藏器待時(shí)。1990年，隨著全球移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，對(duì)于高效、高功率的PA有了強(qiáng)烈需求。同時(shí)，硅基、III-V族半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)帶來(lái)的線性化技術(shù)，為Doherty PA在移動(dòng)基站的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)。Doherty PA技術(shù)在基站側(cè)迅速發(fā)展，目前幾乎統(tǒng)治了整個(gè)宏基站PA市場(chǎng)。

DohertyPA的核心原理是“負(fù)載調(diào)制”效應(yīng)，基原理如下圖所示。若一個(gè)負(fù)載R由兩個(gè)源進(jìn)行激勵(lì)，分別為電壓源及電流源，則電壓源V1看到的阻抗可以由歐姆定律表示為：

若電流源的輸出電流I2發(fā)生變化，則電壓源V1看到的阻抗也將發(fā)生變化。即可以用電流源I2的大小，控制V1看到的阻抗，這就是“負(fù)載調(diào)制”的基本原理。

圖：電壓源及電流源激勵(lì)下的負(fù)載調(diào)制效應(yīng)

在實(shí)際PA設(shè)計(jì)中，一般是將PA等效為電流源。于是在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要加入阻抗反轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)，將電流源轉(zhuǎn)換為電壓源。另外，為了滿足阻抗匹配的需求，和相位對(duì)齊的需求，還會(huì)加入補(bǔ)償線等，完成整個(gè)Doherty功放的設(shè)計(jì)。

圖：Doherty PA的原理和具體實(shí)現(xiàn)

DohertyPA由兩個(gè)PA通路構(gòu)成，分別是Carrier通路和Peak通路。在小功率工作時(shí)，只有Carrier功放開(kāi)啟，其負(fù)載線維持在較高位置，保持高的效率;在大功率時(shí)，Peak功放開(kāi)啟，Carrier功放負(fù)載線被調(diào)制至較低位置，產(chǎn)生較高功率輸出。以此完成功率回退時(shí)效率的提升。(有關(guān)負(fù)載線與輸出功率的關(guān)系，詳見(jiàn)文章《5G PA的Load-line與Load-pull》點(diǎn)擊藍(lán)字跳轉(zhuǎn))。

實(shí)際在分析Doherty PA的工作時(shí)，并不像以上說(shuō)明這么簡(jiǎn)單，在慧智微PA問(wèn)答群中，Doherty PA設(shè)計(jì)專家表示：Doherty PA的推導(dǎo)需要在功率、電壓、阻抗三個(gè)維度去考慮。推導(dǎo)Doherty理論，首先要有一個(gè)概念，就是要站在整體上把Doherty分解，從功率角度就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一是回退功率，二是飽和功率，站在這兩個(gè)點(diǎn)上去分析兩個(gè)管子的阻抗變化，功率變化，電壓變化。

下圖展示為一個(gè)典型的Doherty PA效率曲線圖，此設(shè)計(jì)為一款飽和功率為20dBm的60GHz Doherty PA。可以看到，在回退7dB時(shí)，Doherty功放的效率相比于Class-B功放有1.45倍的提升，相比于Class-A有2.9倍的提升[13]。

圖：Doherty在功率回退時(shí)的效率改善特性

在手機(jī)應(yīng)用中，Doherty PA并不常見(jiàn)。最主要的原因是手機(jī)使用環(huán)境復(fù)雜，需要支持的頻段和模式眾多，而Doherty PA負(fù)載敏感、較窄帶，并且需要強(qiáng)大算法加持的特性使得傳統(tǒng)意義DohertyPA在手機(jī)應(yīng)用中并不兼容。手機(jī)與基站側(cè)應(yīng)用環(huán)境的比較如下表所示。

圖：基站與手機(jī)應(yīng)用環(huán)境差異

近年來(lái)隨著5G手機(jī)中PA耗電的持續(xù)增加，DohertyPA被重新考慮是否可應(yīng)用于手機(jī)應(yīng)用。因?yàn)槭謾C(jī)應(yīng)用復(fù)雜，需要考慮在高低溫、不同天線駐波比下均滿足系統(tǒng)指標(biāo)，DohertyPA在滿足這些指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，需要犧牲回退效率優(yōu)化的特性，用以折中兼容以上手機(jī)應(yīng)用中的必須特性。

下圖為文章[14]中展示的Doherty PA設(shè)計(jì)實(shí)例。