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    [导读]功率放大器(Power Amplifier)简称“功放”,指在给定失真率条件下,能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。功率放大器在通信设备中有什么作用?主要功能是什么?功率放大器的关键指标及设计难点在哪?发展现状及未来趋势如何?

     

    美国为打压华为,不断向半导体厂商下达禁售令。据报道,很多美国半导体厂商最近都纷纷下调营收逾期,最近,工商时报(台)报道中称资深半导体产业分析师陆行之在脸书上说,Lumentum、Qorvo、Inphi、ADI因华为禁售案陆续下修第二季营收预期达5%-8%,Skyworks也宣布下修8%的营收预期到7.55-7.75亿美元,Skyworks公布过去六个月,华为占其营收12%。

    要知道Skyworks可是射频功放PA芯片的主要供应商,报道中指出原Skyworks、Qorvo功率放大器GaAs代工厂指出,华为已经直接自行设计功率放大器芯片了。

    功率放大器在通信设备中有什么作用?主要功能是什么?功率放大器的关键指标及设计难点在哪?发展现状及未来趋势如何?

    一、功率放大器简介

    功率放大器(Power Amplifier)简称“功放”,指在给定失真率条件下,能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。

    对于射频通信系统,功率放大器负责发射通道的信号放大,没有功率放大器,信号覆盖就会成为很大的问题,所以,功率放大器很重要。

    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。作为一个射频芯片,功率放大器不但对工艺有需求,同时其设计团队的技术能力、经验积累和专利支撑都非常重要,尤其是工程师的经验和和Know-How,更是重中之重。再者,随着5G的到来,功率放大器需要满足的性能参数众多,因此不可避免需要研发时间的积累,对于后来入局者具有一定障碍。尤其是工艺方面,更是很多功率放大器厂商,甚至是射频厂商难以逾越的门槛。

    这也是为什么功率放大器先进技术仍把持在国外厂商手中的原因吧,我们起步太晚了啊!

     

    二、射频功率放大器的功能

     

    射频功率放大器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一缓冲级、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。功率放大器往往是固定设备或终端的最昂贵、最耗电、效率最低的器件。

    在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RF功率放大器将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。

     

    图1 发射系统框图

     

    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。对于放大器这样一个“系统”来说,它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平,并向外界“输出”。这一“提升的贡献”,即为放大器存在的“意义”所在。如果放大器能够有好的性能,那么它就可以贡献更多,这才体现出它自身的“价值”。如果放大器的初始“机制设计”存在着一定的问题,那么在开始工作或者工作了一段时间之后,不但不能再提供任何“贡献”,反而有可能出现一些不期然的“震荡”,这种“震荡”,对于外界还是放大器自身,都是灾难性的。

    三、射频功率放大器的分类

    根据工作状态的不同,功率放大器分类如下:

    射频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。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。

    除了以上几种按照电流导通角分类的工作状态外,还有使电子器件工作于开关状态的丁(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。

    四、射频功率放大器的性能指标

    射频功率放大器RF PA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。总体来说,放大器的评判大概存在着如下指标:

    -增益。这是输入和输出之间比值,代表着放大器的贡献。好的放大器,都是在其“自身能力的范围内”,尽可能多的贡献出“产出”。

    -工作频率。这代表着放大器对不同频率信号的承载能力。

    -工作带宽。这决定着放大器能够在多大范围内产生“贡献”。对于一个窄带放大器来说,其自身设计即便没有问题,但是其贡献可能是有限的。

    -稳定性。每一个晶体管都存在着潜在的“不稳定区域”。放大器的“设计”需要消除这些潜在的不稳定。放大器的稳定性包括两种,潜在不稳定和绝对稳定。前者可能在特定条件和环境下出现不稳定现象,后者则能够保证在任何情况下保持稳定。稳定性问题之所以重要,是因为不稳定意味着“震荡”,这时放大器不但影响自身,还会将不稳定因素输出。

    -最大输出功率。这个指标决定着放大器的“容量”。对于“大的系统”来说,希望他们在牺牲一定的增益的情况下能够输出更大的功率。

    -效率。放大器都要消耗一定“能量”,还实现一定的“贡献”。其贡献与消耗之比,即为放大器的效率。能够贡献更多消耗更少,就是好的放大器。

    -线性。线性所表征的是放大器对于大量输入进行正确的反应。线性的恶化表示放大器在过量的输入的状态下将输入“畸变”或“扭曲”。好的放大器不应该表现出这种“畸形”的性质。

    五、射频功率放大器RF PA的电路组成

    放大器有不同类型,简化之,放大器的电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。

    1、晶体管

    晶体管有很多种,包括当前还有多种结构的晶体管被发明出来。本质上,晶体管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源,其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得,晶体管加以消耗,并转化成有用的成分。一个晶体管,我们可以视之为“一个单位”。不同的晶体管不同的“能力”,例如其承受功率的能力有区别,这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致;例如其反应速度不同,这决定它能工作在多宽多高的频带上;例如其面向输入、输出端的阻抗不同,及对外的反应能力不同,这决定了给它匹配的难易程度。

    2、偏置及稳定电路

    偏置和稳定电路是两种不同的电路,但因为他们往往很难区分,且设计目标趋同,所以可以放在一起讨论。

    晶体管的工作需要在一定的偏置条件下,我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的根本,是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位,其定位不同将决定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在着不同的性能表现。有写定位点上起伏较小,适合于小信号工作;有些定位点上起伏较大,适合于大功率输出;有些定位点上索取较少,释放纯粹,适合于低噪声工作;有些定位点,晶体管总是在饱和和截至之间徘徊,处于开关状态。一个恰当的偏置点,是正常工作的础。

    稳定电路一定要在匹配电路之前,因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在,再与外界接触。在外界看来,加上稳定电路的晶体管,是一个“全新的”晶体管。它做出一定的“牺牲”,获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶体管顺利而稳定的运转。

    3、输入输出匹配电路

    匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说,其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口,不同的晶体管之间沟通更加顺畅,对于不同种的放大器类型来说,匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅的小型管,更愿意在接受的时候做一定的阻挡,来获取更好的噪声性能,然而不能阻挡过了头,否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管,则需要在输出时谨小慎微,因为他们更不稳定,同时,一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。

    六、射频功率放大器RF PA稳定的实现方式

    每一个晶体管都是潜在不稳定的。好的稳定电路能够和晶体管融合在一起,形成一种“可持续工作”的模式。稳定电路的实现方式可划分为两种:窄带的和宽带的。

    窄带的稳定电路是进行一定的增益消耗。这种稳定电路是通过增加一定的消耗电路和选择性电路实现的。这种电路使得晶体管只能在很小的一个频率范围内贡献。另外一种宽带的稳定是引入负反馈。这种电路可以在一个很宽的范围内工作。

    不稳定的根源是正反馈,窄带稳定思路是遏制一部分正反馈,当然,这也同时抑制了贡献。而负反馈做得好,还有产生很多额外的令人欣喜的优点。比如,负反馈可能会使晶体管免于匹配,既不需要匹配就可以与外界很好的接洽了。另外,负反馈的引入会提升晶体管的线性性能。

    七、射频功率放大器RF PA的效率提升技术

    晶体管的效率都有一个理论上的极限。这个极限随偏置点(静态工作点)的选择不同而不同。另外,外围电路设计得不好,也会大大降低其效率。目前工程师们对于效率提升的办法不多。这里仅讲两种:包络跟踪技术与Doherty技术。

    包络跟踪技术的实质是:将输入分离为两种:相位和包络,再由不同的放大电路来分别放大。这样,两个放大器之间可以专注的负责其各自的部分,二者配合可以达到更高的效率利用的目标。

    Doherty技术的实质是:采用两只同类的晶体管,在小输入时仅一个工作,且工作在高效状态。如果输入增大,则两个晶体管同时工作。这种方法实现的基础是二只晶体管要配合默契。一种晶体管的工作状态会直接的决定了另一支的工作效率。

    八、RF 功率放大器面临的测试挑战

    功率放大器是无线通信系统中非常重要的组件,但他们本身是非线性的,因而会导致频谱增生现象而干扰到邻近通道,而且可能违反法令强制规定的带外(out-of-band)放射标准。这个特性甚至会造成带内失真,使得通信系统的误码率(BER)增加、数据传输速率降低。

    在峰值平均功率比(PAPR)下,新的OFDM传输格式会有更多偶发的峰值功率,使得功率放大器不易被分割。这将降低频谱屏蔽相符性,并扩大整个波形的EVM及增加BER。为了解决这个问题,设计工程师通常会刻意降低功率放大器的操作功率。很可惜的,这是非常没有效率的方法,因为功率放大器降低10%的操作功率,会损失掉90%的DC功率。

    现今大部分的RF 功率放大器皆支持多种模式、频率范围及调制模式,使得测试项目变得更多。数以千计的测试项目已不稀奇。波峰因子消减(CFR)、数字预失真(DPD)及包络跟踪(ET)等新技术的运用,有助于将功率放大器效能及功率效率优化,但这些技术只会使得测试更加复杂,而且大幅延长设计及测试时间。增加RF 功率放大器的带宽,将导致DPD测量所需的带宽增加5倍(可能超过1 GHz),造成测试复杂性进一步升高。

    依趋势来看,为了增加效率,RF 功率放大器组件及前端模块(FEM)将更紧密整合,而单一FEM则将支持更广泛的频段及调制模式。将包络跟踪电源供应器或调制器整合入FEM,可有效地减少移动设备内部的整体空间需求。为了支持更大的操作频率范围而大量增加滤波器/双工器插槽,会使得移动设备的复杂度和测试项目的数量节节攀升。

    我们纵观上面的射频器件供应商,几乎所有都是IDM厂商。拥有自己的晶圆厂是他们能够领先市场的关键。

    九、功率放大器的工艺

    据了解,目前射频功率放大器采用的工艺分别是GaAs,SOI,CMOS和SiGe。其中4G 功率放大器主要采用GaAs工艺;3G 功率放大器 采用GaAs或者CMOS,出货大约各50%;2G 功率放大器主要是CMOS;5G手机功率放大器采用GaAs工艺;NB-IoT 功率放大器采用CMOS和SOI是趋势,现在还是GaAs为主,个别厂商采用SiGe。SiGe工艺几乎能够与硅半导体超大规模集成电路(VLSI)行业中的所有新工艺技术兼容,是未来的趋势。

    功率放大器芯片.jpg

    十、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。

    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。

    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 功率放大器 也采用包含了CMOS 控制电路的多芯片封装。如今,在接收端集成了功率放大器和低噪音放大器(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。

    结语

    此前,华为海思领导人曾宣布,海思设计的备胎芯片全部转正,或许,功率放大器芯片也在其列,要知道,功率放大器芯片可是5G通信前端模块的核心芯片呢,这也不难理解为什么华为在这一方面早就有所准备了吧,据报道,除了华为海思,Vanchip、汉天下等中国公司也已经能在4G 功率放大器产品上打入主流市场了,此次的禁售打破了原有的供应链,反而为有所准备的公司提供了入局的时机,期待射频前端产品关键器件国产化早日到来。

    (21IC整理,编辑:王丽英)

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