对抗打压，华为已开始自行设计功率放大器芯片！一文了解RF功率放大器

 

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。

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）