什麼是PA晶片？

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PA晶片可是5G通信前端子產品的核心晶片呢，這也不難了解為什麼華為在這一方面早就有所準備了吧，下面就随21ic的小編來一起學習下這個5G通信中的關鍵産品吧。

一、PA簡介

PA是Power Amplifier的簡稱,中文名稱為功率放大器,簡稱“功放”,指在給定失真率條件下,能産生最大功率輸出以驅動某一負載的放大器。

對于射頻通信系統，PA負責發射通道的信号放大，沒有PA，信号覆寫就會成為很大的問題，是以，PA很重要。

射頻PA的主要技術名額是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率是射頻功率放大器設計目标的核心。作為一個射頻晶片，PA不但對工藝有需求，同時其設計團隊的技術能力、經驗積累和專利支撐都非常重要，尤其是工程師的經驗和和Know-How，更是重中之重。再者，随着5G的到來，PA需要滿足的性能參數衆多，是以不可避免需要研發時間的積累，對于後來入局者具有一定障礙。尤其是工藝方面，更是很多PA廠商，甚至是射頻廠商難以逾越的門檻。

這也是為什麼PA先進技術仍把持在國外廠商手中的原因吧，我們起步太晚了啊！

二、射頻功率放大器RF PA的功能

射頻功率放大器RFPA是發射系統中的主要部分，其重要性不言而喻。在發射機的前級電路中，調制振蕩電路所産生的射頻信号功率很小，需要經過一系列的放大一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以後，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。功率放大器往往是固定裝置或終端的最昂貴、最耗電、效率最低的器件。

在調制器産生射頻信号後，射頻已調信号就由RFPA将它放大到足夠功率，經比對網絡，再由天線發射出去。

放大器的功能，即将輸入的内容加以放大并輸出。輸入和輸出的内容，我們稱之為“信号”，往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個“系統”來說，它的“貢獻”就是将其所“吸收”的東西提升一定的水準，并向外界“輸出”。這一“提升的貢獻”，即為放大器存在的“意義”所在。如果放大器能夠有好的性能，那麼它就可以貢獻更多，這才展現出它自身的“價值”。如果放大器的初始“機制設計”存在着一定的問題，那麼在開始工作或者工作了一段時間之後，不但不能再提供任何“貢獻”，反而有可能出現一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”，對于外界還是放大器自身，都是災難性的。

三、射頻功率放大器RFPA的分類

根據工作狀态的不同，功率放大器分類如下：

射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲 （A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀态。甲類放大器電流的導通角為360°，适用于小信号低功率放大，乙類放大器電流的導通角等于180°，丙類放大器電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都适用于大功率工作狀态，丙類工作狀态的輸出功率和效率是三種工作狀态中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類， 但丙類放大器的電流波形失真太大，隻能用于采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

除了以上幾種按照電流導通角分類的工作狀态外，還有使電子器件工作于開關狀态的丁（D）類放大器和戊（E）類放大器，丁類放大器的效率高于丙類放大器。

四、射頻功率放大器RF PA的性能名額

射頻功率放大器RF PA的主要技術名額是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設計目标的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實作不失真放大。總體來說，放大器的評判大概存在着如下名額：

-增益。這是輸入和輸出之間比值，代表着放大器的貢獻。好的放大器，都是在其“自身能力的範圍内”，盡可能多的貢獻出“産出”。

-工作頻率。這代表着放大器對不同頻率信号的承載能力。

-工作帶寬。這決定着放大器能夠在多大範圍内産生“貢獻”。對于一個窄帶放大器來說，其自身設計即便沒有問題，但是其貢獻可能是有限的。

-穩定性。每一個半導體都存在着潛在的“不穩定區域”。放大器的“設計”需要消除這些潛在的不穩定。放大器的穩定性包括兩種，潛在不穩定和絕對穩定。前者可能在特定條件和環境下出現不穩定現象，後者則能夠保證在任何情況下保持穩定。穩定性問題之是以重要，是因為不穩定意味着“震蕩”，這時放大器不但影響自身，還會将不穩定因素輸出。

-最大輸出功率。這個名額決定着放大器的“容量”。對于“大的系統”來說，希望他們在犧牲一定的增益的情況下能夠輸出更大的功率。

-效率。放大器都要消耗一定“能量”，還實作一定的“貢獻”。其貢獻與消耗之比，即為放大器的效率。能夠貢獻更多消耗更少，就是好的放大器。

-線性。線性所表征的是放大器對于大量輸入進行正确的反應。線性的惡化表示放大器在過量的輸入的狀态下将輸入“畸變”或“扭曲”。好的放大器不應該表現出這種“畸形”的性質。

五、射頻功率放大器RF PA的電路組成

放大器有不同類型，簡化之，放大器的電路可以由以下幾個部分組成：半導體、偏置及穩定電路、輸入輸出比對電路。

1、半導體

半導體有很多種，包括目前還有多種結構的半導體被發明出來。本質上，半導體的工作都是表現為一個受控的電流源或電壓源，其工作機制是将不含内容的直流的能量轉化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，半導體加以消耗，并轉化成有用的成分。一個半導體，我們可以視之為“一個機關”。不同的半導體不同的“能力”，例如其承受功率的能力有差別，這也是因為其能擷取的直流能量的能力不同所緻；例如其反應速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上；例如其面向輸入、輸出端的阻抗不同，及對外的反應能力不同，這決定了給它比對的難易程度。

2、偏置及穩定電路

偏置和穩定電路是兩種不同的電路，但因為他們往往很難區分，且設計目标趨同，是以可以放在一起讨論。

半導體的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱之為靜态工作點。這是半導體立足的根本，是它自身的“定位”。每個半導體都給自己進行了一定的定位，其定位不同将決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現。有寫定位點上起伏較小，适合于小信号工作；有些定位點上起伏較大，适合于大功率輸出；有些定位點上索取較少，釋放純粹，适合于低噪聲工作；有些定位點，半導體總是在飽和和截至之間徘徊，處于開關狀态。一個恰當的偏置點，是正常工作的礎。

穩定電路一定要在比對電路之前，因為半導體需要将穩定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來，加上穩定電路的半導體，是一個“全新的”半導體。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩定性。穩定電路的機制能夠保證半導體順利而穩定的運轉。

3、輸入輸出比對電路

比對電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的半導體來說，其途徑是全盤的接受和輸出。這意味着通過比對電路這一個接口，不同的半導體之間溝通更加順暢，對于不同種的放大器類型來說，比對電路并不是隻有“全盤接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管，更願意在接受的時候做一定的阻擋，來擷取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過了頭，否則會影響其貢獻。而對于一些巨型功率管，則需要在輸出時謹小慎微，因為他們更不穩定，同時，一定的保留有助于他們發揮出更多的“不扭曲的”能量。

六、射頻功率放大器RF PA穩定的實作方式

每一個半導體都是潛在不穩定的。好的穩定電路能夠和半導體融合在一起，形成一種“可持續工作”的模式。穩定電路的實作方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。

窄帶的穩定電路是進行一定的增益消耗。這種穩定電路是通過增加一定的消耗電路和選擇性電路實作的。這種電路使得半導體隻能在很小的一個頻率範圍内貢獻。另外一種寬帶的穩定是引入負回報。這種電路可以在一個很寬的範圍内工作。

不穩定的根源是正回報，窄帶穩定思路是遏制一部分正回報，當然，這也同時抑制了貢獻。而負回報做得好，還有産生很多額外的令人欣喜的優點。比如，負回報可能會使半導體免于比對，既不需要比對就可以與外界很好的接洽了。另外，負回報的引入會提升半導體的線性性能。

七、射頻功率放大器RF PA的效率提升技術

半導體的效率都有一個理論上的極限。這個極限随偏置點（靜态工作點）的選擇不同而不同。另外，外圍電路設計得不好，也會大大降低其效率。目前工程師們對于效率提升的辦法不多。這裡僅講兩種：包絡跟蹤技術與Doherty技術。

包絡跟蹤技術的實質是：将輸入分離為兩種：相位和包絡，再由不同的放大電路來分别放大。這樣，兩個放大器之間可以專注的負責其各自的部分，二者配合可以達到更高的效率利用的目标。

Doherty技術的實質是：采用兩隻同類的半導體，在小輸入時僅一個工作，且工作在高效狀态。如果輸入增大，則兩個半導體同時工作。這種方法實作的基礎是二隻半導體要配合默契。一種半導體的工作狀态會直接的決定了另一支的工作效率。

八、RF PA面臨的測試挑戰

功率放大器是無線通信系統中非常重要的元件，但他們本身是非線性的，因而會導緻頻譜增生現象而幹擾到鄰近通道，而且可能違反法令強制規定的帶外（out-of-band）放射标準。這個特性甚至會造成帶内失真，使得通信系統的誤碼率（BER）增加、資料傳輸速率降低。

在峰值平均功率比（PAPR）下，新的OFDM傳輸格式會有更多偶發的峰值功率，使得PA不易被分割。這将降低頻譜屏蔽相符性，并擴大整個波形的EVM及增加BER。為了解決這個問題，設計工程師通常會刻意降低PA的操作功率。很可惜的，這是非常沒有效率的方法，因為PA降低10%的操作功率，會損失掉90%的DC功率。

現今大部分的RF PA皆支援多種模式、頻率範圍及調制模式，使得測試項目變得更多。數以千計的測試項目已不稀奇。波峰因子消減（CFR）、數字預失真（DPD）及包絡跟蹤（ET）等新技術的運用，有助于将PA效能及功率效率優化，但這些技術隻會使得測試更加複雜，而且大幅延長設計及測試時間。增加RF PA的帶寬，将導緻DPD測量所需的帶寬增加5倍（可能超過1 GHz），造成測試複雜性進一步升高。

依趨勢來看，為了增加效率，RF PA元件及前端子產品（FEM）将更緊密整合，而單一FEM則将支援更廣泛的頻段及調制模式。将包絡跟蹤電源供應器或調制器整合入FEM，可有效地減少移動裝置内部的整體空間需求。為了支援更大的操作頻率範圍而大量增加濾波器/雙工器插槽，會使得移動裝置的複雜度和測試項目的數量節節攀升。

我們縱觀上面的射頻器件供應商，幾乎所有都是IDM廠商。擁有自己的晶圓廠是他們能夠領先市場的關鍵。

九、功率放大器的工藝

據了解，目前射頻PA采用的工藝分别是GaAs，SOI，CMOS和SiGe。其中4G PA主要采用GaAs工藝；3G PA 采用GaAs或者CMOS，出貨大約各50%；2G PA主要是CMOS；5G手機PA采用GaAs工藝；NB-IoT PA采用CMOS和SOI是趨勢，現在還是GaAs為主，個别廠商采用SiGe。SiGe工藝幾乎能夠與矽半導體超大規模內建電路(VLSI)行業中的所有新工藝技術相容，是未來的趨勢。

十、功率放大器發展趨勢

英國研究公司Technavio 稱，全球功率放大器市場主要有三個四發展趨勢：晶圓尺寸增大；初創企業采用CMOS 技術；國防領域的高速放大器需求逐漸增大：利用InGaP 工藝，實作功率放大器的低功耗和高效率。

晶圓尺寸變大。半導體行業見證了過去40 年晶圓尺寸的變化，砷化镓（GaAs）晶圓尺寸從50mm 增大到150mm，制造成本降低了20%～25%。目前，業界制造功率放大器通常采用150mm晶圓。預測150mm 晶圓還将繼續使用，因為台灣的穩懋半導體公司等制造商還在大力投資更新和建立150mm 工廠。業内正在開發200mm 晶圓技術，預計2018 年底能夠試生産。斯坦福大學研究人員正在研究降低200mm GaAs 晶圓的價格，使其可以以較低的價格與矽晶圓争奪市場。同時這也對掩膜版檢測裝置登晶圓制造裝置提出需求。

初創公司采用CMOS技術。一些初創企業，如Acco Semiconductor ， 正越來越多的采用CMOS 技術。Acco Semiconductor 抓住移動手機和物聯網産品對射頻功率放大器巨大需求的機會，已經投資350 億美元擴充其基于CMOS 的射頻功率放大器業務。目前絕大多數功率放大器采用鍺矽（SiGe）或GaAs 技術，而非CMOS。但根據報告可知，基于CMOS 工藝有助于實作低成本、高性能的功率放大器。

國防領域需要高速放大器。軍事領域需要更高效的利用頻譜，更多的使用移動裝置來通信。是以，Technavio 公司稱，軍事領域要求高速功率放大器。美國國防先期研究計劃局（DARPA）在太赫茲電子項目中已取得進展，即美國諾·格公司開發了出固态功率放大器和行波管放大器，這是僅有的兩款太赫茲頻率産品。太赫茲頻段的功率放大器可用于許多領域，包括高分辨率安全成像、高資料速率通信、防撞雷達、遠距離危險化學品和爆炸物探測系統等，這些裝置的高速率運作要求必須使用高速放大器。

利用InGaP 工藝，實作功率放大器的低功耗和高效率。InGaP 特别适合要求相當高功率輸出的高頻應用。InGaP 工藝的改進讓産量得到了提高，并帶來了更高程度的內建，使晶片可以內建更多功能。這樣既簡化了系統設計，降低了原材料成本，也節省了闆空間。有些InGaP PA 也采用包含了CMOS 控制電路的多晶片封裝。如今，在接收端內建了PA 和低噪音放大器(LNA)并結合了RF 開關的前端WLAN 子產品已經可以采用精簡型封裝。例如，ANADIGICS 公司提出的InGaP-Plus 工藝可以在同一個InGaP 晶片上內建雙極半導體和場效應半導體。這一技術正被用于尺寸和PAE(功率增加效率)有所改進的新型CDMA 和WCDMA 功率放大器。