射頻功率放大器RFPA的功能

射頻功率放大器RFPA是(shi)發(fa)射(she)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)主(zhu)要(yao)部(bu)分(fen)，其(qi)重(zhong)要(yao)性(xing)不(bu)言(yan)而(er)喻(yu)。在(zai)發(fa)射(she)機(ji)的(de)前(qian)級(ji)電(dian)路(lu)中(zhong)，調(tiao)製(zhi)振(zhen)蕩(dang)電(dian)路(lu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)功(gong)率(lv)很(hen)小(xiao)，需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)放(fang)大(da)一(yi)緩(huan)衝(chong)級(ji)、中間放大級、末(mo)級(ji)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)級(ji)，獲(huo)得(de)足(zu)夠(gou)的(de)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)以(yi)後(hou)，才(cai)能(neng)饋(kui)送(song)到(dao)天(tian)線(xian)上(shang)輻(fu)射(she)出(chu)去(qu)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)足(zu)夠(gou)大(da)的(de)射(she)頻(pin)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)，必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)。功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)往(wang)往(wang)是(shi)固(gu)定(ding)設(she)備(bei)或(huo)終(zhong)端(duan)的(de)最(zui)昂(ang)貴(gui)、最耗電、效率最低的器件。

在調製器產生射頻信號後
，射頻已調信號就由RFPA將它放大到足夠功率，經匹配網絡，再由天線發射出去。
 
          
                                                            圖1 發射係統框圖

放大器的功能，即將輸入的內容加以放大並輸出。輸入和輸出的內容，我們稱之為“信號”
，往往表示為電壓或功率。對於放大器這樣一個“係統”來說，它的“貢獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，並向外界“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，這才體現出它自身的“價值”。如果放大器的初始“機製設計”存在著一定的問題，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”，對於外界還是放大器自身

，都是災難性的。

射頻功率放大器RFPA的分類

根據工作狀態的不同，功率放大器分類如下：
 
                  
                                                         圖2 功率放大器的分類

射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)很(hen)高(gao)
，但(dan)相(xiang)對(dui)頻(pin)帶(dai)較(jiao)窄(zhai)，射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)一(yi)般(ban)都(dou)采(cai)用(yong)選(xuan)頻(pin)網(wang)絡(luo)作(zuo)為(wei)負(fu)載(zai)回(hui)路(lu)。射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)可(ke)以(yi)按(an)照(zhao)電(dian)流(liu)導(dao)通(tong)角(jiao)的(de)不(bu)同(tong)，分(fen)為(wei)甲(jia) （A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角為360°

，適用於小信號低功率放大，乙類放大器電流的導通角等於180°

，丙類放大器電流的導通角則小於180°。乙類和丙類都適用於大功率工作狀態
，丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作於丙類， 但dan丙bing類lei放fang大da器qi的de電dian流liu波bo形xing失shi真zhen太tai大da
，隻zhi能neng用yong於yu采cai用yong調tiao諧xie回hui路lu作zuo為wei負fu載zai諧xie振zhen功gong率lv放fang大da。由you於yu調tiao諧xie回hui路lu具ju有you濾lv波bo能neng力li，回hui路lu電dian流liu與yu電dian壓ya仍reng然ran接jie近jin於yu正zheng弦xian波bo形xing
，失shi真zhen很hen小xiao。

除了以上幾種按照電流導通角分類的工作狀態外，還有使電子器件工作於開關狀態的丁（D）類放大器和戊（E）類放大器，丁類放大器的效率高於丙類放大器。

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射頻功率放大器RFPA的性能指標

射頻功率放大器RFPA的主要技術指標是輸出功率與效率
，如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設計目標的核心。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
，實現不失真放大。總體來說，放大器的評判大概存在著如下指標：

• 增益。這是輸入和輸出之間比值
  ，代表著放大器的貢獻。好的放大器，都是在其“自身能力的範圍內”，盡可能多的貢獻出“產出”。
• 工作頻率。這代表著放大器對不同頻率信號的承載能力。
• 工作帶寬。這決定著放大器能夠在多大範圍內產生“貢獻”。對於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。每一個晶體管都存在著潛在的“不穩定區域”。放大器的“設計”需(xu)要(yao)消(xiao)除(chu)這(zhe)些(xie)潛(qian)在(zai)的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)。放(fang)大(da)器(qi)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)包(bao)括(kuo)兩(liang)種(zhong)，潛(qian)在(zai)不(bu)穩(wen)定(ding)和(he)絕(jue)對(dui)穩(wen)定(ding)。前(qian)者(zhe)可(ke)能(neng)在(zai)特(te)定(ding)條(tiao)件(jian)和(he)環(huan)境(jing)下(xia)出(chu)現(xian)不(bu)穩(wen)定(ding)現(xian)象(xiang)，後(hou)者(zhe)則(ze)能(neng)夠(gou)保(bao)證(zheng)在(zai)任(ren)何(he)情(qing)況(kuang)下(xia)保(bao)持(chi)穩(wen)定(ding)。穩(wen)定(ding)性(xing)問(wen)題(ti)之(zhi)所(suo)以(yi)重(zhong)要(yao)，是(shi)因(yin)為(wei)不(bu)穩(wen)定(ding)意(yi)味(wei)著(zhe)“震蕩”，這時放大器不但影響自身，還會將不穩定因素輸出。
• 最大輸出功率。這個指標決定著放大器的“容量”。對於“大的係統”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”，還實現一定的“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於大量輸入進行正確的反應。線性的惡化表示放大器在過量的輸入的狀態下將輸入“畸變”或“扭曲”。好的放大器不應該表現出這種“畸形”的性質。

下頁內容：射頻功放的電路組成、穩定和效率提升方式
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射頻功率放大器RFPA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：晶體管、偏置及穩定電路、輸入輸出匹配電路

1、晶體管

晶jing體ti管guan有you很hen多duo種zhong，包bao括kuo當dang前qian還hai有you多duo種zhong結jie構gou的de晶jing體ti管guan被bei發fa明ming出chu來lai。本ben質zhi上shang
，晶jing體ti管guan的de工gong作zuo都dou是shi表biao現xian為wei一yi個ge受shou控kong的de電dian流liu源yuan或huo電dian壓ya源yuan，其qi工gong作zuo機ji製zhi是shi將jiang不bu含han內nei容rong的de直zhi流liu的de能neng量liang轉zhuan化hua為wei“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得
，晶體管加以消耗，並轉化成有用的成分。一個晶體管，我們可以視之為“一個單位”。不同的晶體管不同的“能力”，例如其承受功率的能力有區別，這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致；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；例如其麵向輸入、輸出端的阻抗不同，及對外的反應能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。

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
，且設計目標趨同，所以可以放在一起討論。

晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱之為靜態工作點。這是晶體管立足的根本
，是它自身的“定位”。每mei個ge晶jing體ti管guan都dou給gei自zi己ji進jin行xing了le一yi定ding的de定ding位wei
，其qi定ding位wei不bu同tong將jiang決jue定ding了le它ta自zi身shen的de工gong作zuo模mo式shi，在zai不bu同tong的de定ding位wei上shang也ye存cun在zai著zhe不bu同tong的de性xing能neng表biao現xian。有you寫xie定ding位wei點dian上shang起qi伏fu較jiao小xiao
，適shi合he於yu小xiao信xin號hao工gong作zuo

；有些定位點上起伏較大，適合於大功率輸出；有些定位點上索取較少，釋放純粹
，適合於低噪聲工作；有些定位點，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊
，處於開關狀態。一個恰當的偏置點，是正常工作的礎。

wendingdianluyidingyaozaipipeidianluzhiqian，yinweijingtiguanxuyaojiangwendingdianluzuoweizishendeyibufencunzai
，zaiyuwaijiejiechu。zaiwaijiekanlai
，jiashangwendingdianludejingtiguan
，shiyige“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩定性。穩定電路的機製能夠保證晶體管順利而穩定的運轉。

3、輸入輸出匹配電路

pipeidianludemudeshizaixuanzeyizhongjieshoudefangshi。duiyunaxiexiangtigonggengdazengyidejingtiguanlaishuo，qitujingshiquanpandejieshouheshuchu。zheyiweizhetongguopipeidianluzheyigejiekou，butongdejingtiguanzhijiangoutonggengjiashunchang
，duiyubutongzhongdefangdaqileixinglaishuo，pipeidianlubingbushizhiyou“全盤接受”一種設計方法。一些直流小、根(gen)基(ji)淺(qian)的(de)小(xiao)型(xing)管(guan)，更(geng)願(yuan)意(yi)在(zai)接(jie)受(shou)的(de)時(shi)候(hou)做(zuo)一(yi)定(ding)的(de)阻(zu)擋(dang)，來(lai)獲(huo)取(qu)更(geng)好(hao)的(de)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)，然(ran)而(er)不(bu)能(neng)阻(zu)擋(dang)過(guo)了(le)頭(tou)，否(fou)則(ze)會(hui)影(ying)響(xiang)其(qi)貢(gong)獻(xian)。而(er)對(dui)於(yu)一(yi)些(xie)巨(ju)型(xing)功(gong)率(lv)管(guan)，則(ze)需(xu)要(yao)在(zai)輸(shu)出(chu)時(shi)謹(jin)小(xiao)慎(shen)微(wei)，因(yin)為(wei)他(ta)們(men)更(geng)不(bu)穩(wen)定(ding)，同(tong)時(shi)，一(yi)定(ding)的(de)保(bao)留(liu)有(you)助(zhu)於(yu)他(ta)們(men)發(fa)揮(hui)出(chu)更(geng)多(duo)的(de)“不扭曲的”能量。

射頻功率放大器RFPA穩定的實現方式

每一個晶體管都是潛在不穩定的。好的穩定電路能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續工作”的模式。穩定電路的實現方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。

窄(zhai)帶(dai)的(de)穩(wen)定(ding)電(dian)路(lu)是(shi)進(jin)行(xing)一(yi)定(ding)的(de)增(zeng)益(yi)消(xiao)耗(hao)。這(zhe)種(zhong)穩(wen)定(ding)電(dian)路(lu)是(shi)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)一(yi)定(ding)的(de)消(xiao)耗(hao)電(dian)路(lu)和(he)選(xuan)擇(ze)性(xing)電(dian)路(lu)實(shi)現(xian)的(de)。這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)使(shi)得(de)晶(jing)體(ti)管(guan)隻(zhi)能(neng)在(zai)很(hen)小(xiao)的(de)一(yi)個(ge)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)貢(gong)獻(xian)。另(ling)外(wai)一(yi)種(zhong)寬(kuan)帶(dai)的(de)穩(wen)定(ding)是(shi)引(yin)入(ru)負(fu)反(fan)饋(kui)。這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)在(zai)一(yi)個(ge)很(hen)寬(kuan)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)工(gong)作(zuo)。

不bu穩wen定ding的de根gen源yuan是shi正zheng反fan饋kui，窄zhai帶dai穩wen定ding思si路lu是shi遏e製zhi一yi部bu分fen正zheng反fan饋kui
，當dang然ran，這zhe也ye同tong時shi抑yi製zhi了le貢gong獻xian。而er負fu反fan饋kui做zuo得de好hao，還hai有you產chan生sheng很hen多duo額e外wai的de令ling人ren欣xin喜xi的de優you點dian。比bi如ru，負fu反fan饋kui可ke能neng會hui使shi晶jing體ti管guan免mian於yu匹pi配pei

，既ji不bu需xu要yao匹pi配pei就jiu可ke以yi與yu外wai界jie很hen好hao的de接jie洽qia了le。另ling外wai
，負fu反fan饋kui的de引yin入ru會hui提ti升sheng晶jing體ti管guan的de線xian性xing性xing能neng。

射頻功率放大器RFPA的效率提升技術

晶體管的效率都有一個理論上的極限。這個極限隨偏置點（靜態工作點）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。目前工程師們對於效率提升的辦法不多。這裏僅講兩種：包絡跟蹤技術與Doherty技術。

包絡跟蹤技術的實質是：將輸入分離為兩種：相(xiang)位(wei)和(he)包(bao)絡(luo)，再(zai)由(you)不(bu)同(tong)的(de)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)來(lai)分(fen)別(bie)放(fang)大(da)。這(zhe)樣(yang)，兩(liang)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)之(zhi)間(jian)可(ke)以(yi)專(zhuan)注(zhu)的(de)負(fu)責(ze)其(qi)各(ge)自(zi)的(de)部(bu)分(fen)，二(er)者(zhe)配(pei)合(he)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)更(geng)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)利(li)用(yong)的(de)目(mu)標(biao)。

Doherty技術的實質是：caiyongliangzhitongleidejingtiguan，zaixiaoshurushijinyigegongzuo，qiegongzuozaigaoxiaozhuangtai。ruguoshuruzengda，zelianggejingtiguantongshigongzuo。zhezhongfangfashixiandejichushierzhijingtiguanyaopeihemoqi。yizhongjingtiguandegongzuozhuangtaihuizhijiedejuedinglelingyizhidegongzuoxiaolv。

下頁內容：手機功放的市場情況
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手機射頻模塊功率放大器(PA)市場情況

手機功率放大器領域是目前手機裏無法集成化的元件，手機性能、占位麵積、通話質量
、手機強度、電池續航能力都由功率放大器決定。

功率放大器領域主要廠家是RFMD、Skyworks

、TriQuint
、Renesas
、NXP、Avago、ANADIGICS。現在，原本是PA企 業合作夥伴的高通
，也直接加入到PA市場中，將在2013年下半年推出以CMOS製程生產的PA，支持LTE-FDD
、LTE-TDD
、WCDMA、 EV-DO、CDMA 1x、TD-SCDMA與GSM/EDGE七種模式
，頻譜將涵蓋全球使用中的逾40個頻段，以多頻多模優勢宣布進軍PA產業。

查看Skyworks
、TriQuint
、Avago
、CEL、 Freescale、M/A-COM
、Maxim Integrated、NXP各公司射頻放大器對比，請點擊：http://www.mouser.cn/_/N-3ri04

PA市場經曆了LDMS PA“擂主”時代之後，砷化镓(GaAs)PA成為3G時代PA市場的“擂主”。當年帶領砷化镓攻打PA市場的TriQuint正在積極布局砷化镓的藍圖
，針對3G/4G智能手機擴展連接推出高效率多頻多模功率放大器MMPA。

而高通以CMOS PA攻擂PA市場，未來PA可能會成為手機平台的一部分，並會出現手機芯片平台企業收購、兼並PA企業的現象。

如何集成這些不同頻段和製式的功率放大器是業界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案：一種是融合架構
，將不同頻率的射頻功率放大器PA集成；另一種架構則是沿信號鏈路的集成
，即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優缺點，適用於不同的手機。融合架構
，PA的集成度高，對於3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優 勢，5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優勢。缺點是雖然PA集成了
，但是雙工器仍是相當複雜
，並且PA集ji成cheng時shi有you開kai關guan損sun耗hao，性xing能neng會hui受shou影ying響xiang。而er對dui於yu後hou一yi種zhong架jia構gou，性xing能neng更geng好hao，功gong放fang與yu雙shuang功gong器qi集ji成cheng可ke以yi提ti升sheng電dian流liu特te性xing，大da約yue可ke以yi節jie省sheng幾ji十shi毫hao安an電dian流liu，相xiang當dang於yu延yan長chang15%的通話時間。所以，業內人士的建議是，大於6個頻段時（不算 2G，指3G和4G）采用融合架構，而小於四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。目前TriQuint可提供兩種架構的方案，RFMD主要偏向於 融合PA的架構，Skyworks偏向於多頻PAD方案。

對於手機PA，GaAsHBT將來會被廣泛應用。GaNHEMT憑借高效率的優點可能在某些高端產品中有機會。考慮到4G/LTE近來日益強化對線性和功率的更高要求，Si-CMOS一般不認為有機會取代GaAs HBT。因此，GaAs HBT會繼續保持幾乎100%的市場份額。