5G射頻PA架構(gòu)的原理及特點分析

自2019年5G元年開始，過去3年5G建設(shè)如火如荼的進行。5G快速發(fā)展中，受益最大的就是射頻前端芯片。根據(jù)Yole的預測，至2026年，全球射頻前端總市場將達到216.7億美金，與2019年的124.1億美金相比，7年增長率達74.6%。

射頻前端芯片是無線通信的核心器件，是指天線之后、收發(fā)機之前的功能模塊，因為位于通信系統(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的強弱、穩(wěn)定性、功耗等重要因素，決定用戶體驗。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非常考驗設(shè)計能力。

圖：射頻PA在芯片設(shè)計中的位置

隨著5G的發(fā)展，對射頻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，同時模組化的到來也需要PA設(shè)計滿足高集成度模組化的需求。

于是，不同架構(gòu)設(shè)計的PA被大家關(guān)注起來，除了日常聽說的單端PA，近年來手機應(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)用時有什么特點？本文將對以上問題進行討論。

PA的設(shè)計理念

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，而不是僅僅關(guān)注增益。

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

負載線匹配使得PA的電壓與電流擺幅均達到最大，也即達到了最大功率輸出的目標。

圖：負載線理論與電壓/電流擺幅

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

PA的架構(gòu)設(shè)計

PA的核心目標就是 “功率” ，不同PA的架構(gòu)也是圍繞“功率合成” 這一理念進行的。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“簡單功率合成”與“特殊功率合成”。

“簡單功率合成”是指將多個小功率器件進行合成，直到合成至足夠大的功率。簡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，在合成的時候完成一些特殊的特性設(shè)計。常見的合成方法有Push-pull（推挽）、Balance（平衡）、Doherty（多爾蒂）等。

以下將對幾種PA架構(gòu)的設(shè)計進行討論。

簡單功率合成

電流合成

電流合成是最簡單的功率合成方式，實現(xiàn)方式是將多個較小的器件進行并聯(lián)連接，將電流進行并聯(lián)。

圖：功率放大器的電流合成

在實現(xiàn)上，電流合并即在Layout中將多個晶體管的基極、集電極、發(fā)射極分別連接，由于實現(xiàn)簡單，在功率放大器的設(shè)計中被廣泛采用。

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

圖：典型功率放大器功率級版圖

雖然電流合并實現(xiàn)簡單，但在設(shè)計的時候也有許多要點需要注意：

單個功率陣列不易過長，以確保電流是同相疊加

不同陣列之間合并時要注意走線的對稱性，保證電流合成時的相位相同

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

電流合并由于設(shè)計簡單，實現(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，還有一種簡單合并方式是將電壓進行合并。電壓合并的優(yōu)點是可以提高最優(yōu)輸出阻抗點，在做阻抗匹配時可以實現(xiàn)更低的阻抗匹配損耗。

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

圖：采用電壓合并的典型電路，以及典型實現(xiàn)案例

電壓合并的方式適用于供電電壓遠大于器件耐受電壓的場景，如有高壓供電環(huán)境；或者采用低壓器件進行PA設(shè)計時。

當前手機PA設(shè)計所使用的GaAs HBT 擊穿電壓VBCEO一般在10~25V之間，單個器件適用于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，以達到提高輸出最優(yōu)阻抗，進而提升PA整體效率的設(shè)計目的。此方案在2016年前后的一些旗艦手機中得到了成功采用。不過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)界推廣開來。

功率合成

其實電流、電壓的合并都是在做功率合成，不過，還有一些功率合成方式不能嚴格的說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行功率合并，威爾金森（Wilkinson）功合器（功分器）就是一種簡單的功合器。威爾金森功率合器與其設(shè)計的功率合成PA如下圖所示 ［2］：

圖：典型的威爾金森功分器設(shè)計，以及其設(shè)計的功率合成PA

由于威爾金森功合器有三端口可以同時匹配的特性，所以采用其設(shè)計的功率合成PA設(shè)計簡單，只需要單獨設(shè)計好各路PA，再進行單獨進行功率合成即可。不過，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實現(xiàn)時并不經(jīng)濟，在對面積有限制的設(shè)計中無法有效采用。

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

圖：采用二合一直接合并的方式實現(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“簡單功率合成”中，功率合成的思路是將功率進行簡單合并，完成“1+1=2”的功率輸出。除了功率的簡單合成外，還可以在功率合成中加入特殊設(shè)計，完成功率合成的同時，也實現(xiàn)更復雜的特性。

一些常見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)計是將兩個分別正、反導通的放大器合并，完成整個周期波形合成輸出。這樣，每個單獨的PA就可以設(shè)計為高效率的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型兩個晶體管構(gòu)成，分別負責正半周期及負半周期的信號導通。在實際設(shè)計中，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)計電路。

這個時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），來將兩路信號進行反向。采用巴倫和雙NPN晶體管設(shè)計的Push-pull PA如下圖所示。不同于采用NPN+PNP設(shè)計的推挽 PA中有物理接地、兩路功放均與地為參考流動，采用巴倫和雙NPN晶體管設(shè)計的Push-pull PA電流在兩路之間差分流動，射頻以二者中間點為虛擬參考地。

圖：采用雙NPN型晶體管及巴倫設(shè)計的Push-Pull PA

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

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

巴倫是Push-pull PA的重要器件，巴倫是完成平衡信號（差分信號）與非平衡信號（單端信號）相互轉(zhuǎn)換的電路。在平衡信號側(cè)，信號以差分形式傳輸，相位相差180 °；在非平衡側(cè)，信號以地為參考，單端傳輸。雙線變壓器繞線法是常見的一種巴倫實現(xiàn)方法，采用雙繞線耦合的形式，可實現(xiàn)信號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，實現(xiàn)不同阻抗的變換。

圖：雙線變壓器繞線法實現(xiàn)的巴倫

在芯片設(shè)計中，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現(xiàn)［5］。

圖：集成電路中變壓器巴倫的實現(xiàn)及其等效電路

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

有對稱的兩個PA放大通路

兩個PA放大通路的前后有對稱的繞線巴倫

下圖為典型的Push-pull PA芯片設(shè)計版圖［6］。

圖：典型的Push-pull PA芯片設(shè)計

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進行功率合并。不過與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)計框圖。

圖：Balance PA設(shè)計框圖

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

圖：平衡放大器對輸入駐波的改善作用

因為有以上特性，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實現(xiàn)由-10dB至-35dB的優(yōu)化，在1.4~1.6GHz范圍內(nèi)均實現(xiàn)-15dB以下的S22。

但由于Balance PA對S11/S22的抵消以及功率的合成依賴于耦合器90 °的精準相移，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

由于在抵消點附近Balance PA表現(xiàn)出良好的S11/S22，同時有較好的負載不敏感特性，Balance PA在一些業(yè)界公司也被稱為Load Insensitive PA（負載不敏感PA），簡稱LIPA。

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

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

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，較難實現(xiàn)。一般在微波/毫米波頻段會采用90 °耦合器的方式來實現(xiàn)90 °的功率分配與合成。下圖為采用定向耦合器方式實現(xiàn)90 °功率分配與合成的Balance PA設(shè)計［10］。

圖：采用定向耦合器方式實現(xiàn)90 °功率分配

與合成的Balance PA設(shè)計

BalancePA設(shè)計和特性的特殊性也可以用來識別Balance PA：

有對稱的兩個PA設(shè)計通路

有不對稱的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

測試S11/S22，在抵消點附近有較好的S11/S22

Doherty PA

DohertyPA近年來可謂是在手機射頻PA使用中備受關(guān)注的架構(gòu)，話題性非常強。Doherty PA引人注目的一個原因是它的高效特性，可以很好的緩解5G因為功率提升帶來的功耗提升問題。

DohertyPA對于效率的優(yōu)化是通過“動態(tài)負載調(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的負載發(fā)生變化，從而優(yōu)化PA的回退特性”。雖然教科書上都是如此解釋，但一個PA的負載竟然可以靠另外一個PA的工作狀態(tài)來改變，聽上去總是有些黑科技的意味，更加深了Doherty PA的神秘感。

DohertyPA近年來被手機PA設(shè)計所關(guān)注，但卻不是最近才被研制出來的新架構(gòu)。Doherty PA是由享有盛名的實驗室：貝爾實驗室的工程師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最初研究的目標是開發(fā)KW量級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)用場景還未出現(xiàn)，在整個20世紀的大部分時候，僅在AM發(fā)射機中有些應(yīng)用。

圖：William H. Doherty個人簡介

雖然Doherty PA發(fā)明之后在很長時間里并沒有廣泛應(yīng)用，但這一切都是藏器待時。1990年，隨著全球移動通信的迅猛發(fā)展，對于高效、高功率的PA有了強烈需求。同時，硅基、III-V族半導體工藝的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)帶來的線性化技術(shù)，為Doherty PA在移動基站的應(yīng)用提供了堅實的應(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)治了整個宏基站PA市場。

DohertyPA的核心原理是“負載調(diào)制”效應(yīng)，基原理如下圖所示。若一個負載R由兩個源進行激勵，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“負載調(diào)制”的基本原理。

圖：電壓源及電流源激勵下的負載調(diào)制效應(yīng)

在實際PA設(shè)計中，一般是將PA等效為電流源。于是在實際設(shè)計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，和相位對齊的需求，還會加入補償線等，完成整個Doherty功放的設(shè)計。

圖：Doherty PA的原理和具體實現(xiàn)

DohertyPA由兩個PA通路構(gòu)成，分別是Carrier通路和Peak通路。在小功率工作時，只有Carrier功放開啟，其負載線維持在較高位置，保持高的效率；在大功率時，Peak功放開啟，Carrier功放負載線被調(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效率的提升。

實際在分析Doherty PA的工作時，并不像以上說明這么簡單，Doherty PA設(shè)計專家表示：Doherty PA的推導需要在功率、電壓、阻抗三個維度去考慮。推導Doherty理論，首先要有一個概念，就是要站在整體上把Doherty分解，從功率角度就是兩個節(jié)點，一是回退功率，二是飽和功率，站在這兩個點上去分析兩個管子的阻抗變化，功率變化，電壓變化。

下圖展示為一個典型的Doherty PA效率曲線圖，此設(shè)計為一款飽和功率為20dBm的60GHz Doherty PA?？梢钥吹?，在回退7dB時，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在功率回退時的效率改善特性

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

圖：基站與手機應(yīng)用環(huán)境差異

近年來隨著5G手機中PA耗電的持續(xù)增加，DohertyPA被重新考慮是否可應(yīng)用于手機應(yīng)用。因為手機應(yīng)用復雜，需要考慮在高低溫、不同天線駐波比下均滿足系統(tǒng)指標，DohertyPA在滿足這些指標設(shè)計時，需要犧牲回退效率優(yōu)化的特性，用以折中兼容以上手機應(yīng)用中的必須特性。

下圖為文章［14］中展示的Doherty PA設(shè)計實例。

圖：Doherty PA設(shè)計示例

在實際分析中，可以根據(jù)Doherty PA在的特性來識別是否是Doherty PA：

至少有兩路功放構(gòu)成

兩路功放呈非對稱狀態(tài)，或者是設(shè)計的不對稱，或者是偏置狀態(tài)的不對稱

功率合成部分為非對稱結(jié)構(gòu)

測試S11/S22，以區(qū)分Doherty PA與Balance PA

以上不同的功率合成架構(gòu)有不同的應(yīng)用，將特殊功率合成

多種架構(gòu)混合設(shè)計

不同PA架構(gòu)之間也不是非此即彼，也是可以相互結(jié)合的。比如在Doherty PA或者Push-pull PA的每個PA單元中，都可以選擇電流合并或者電壓合并的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

甚至不同的特殊功率合成之間也可以相互組合，例如， Doherty PA的Carrier和PeakPA就可以選擇Push-pull PA。甚至還可以將兩個DohertyPA組合設(shè)計成Balance PA，減少Doherty PA的負載敏感特性。

下圖為文獻［15］中所設(shè)計的PA，其中利用到了威爾金森功分器、90 °正交耦合器、差分放大器以及Doherty PA架構(gòu)。

圖：多種架構(gòu)組合的PA設(shè)計

總 結(jié)

本文對工程中常見的PA架構(gòu)做了簡單整理，介紹了不同架構(gòu)PA的設(shè)計思路，架構(gòu)特點，以及主要的實現(xiàn)方式。

另外需要說明的是，PA架構(gòu)并無優(yōu)劣之分，只有合適與否。只有了解當前的需求和限制，了解不同PA的特性，才能選擇恰到好處的PA架構(gòu)。

審核編輯：郭婷