PA设计中重要的基础概念

科技绿洲 2022-05-11 11430

描述

说到射频PA（Power Amplifier，功率放大器）的设计和应用，有两个名词经常被大家提及：Load-line与Load-pull。在使用中，这两个名词太过常用了，以至于对这两个名词后面的理论依据反而讨论不多。接下来我们就对Load-line和Load-pull背后的知识做一个讨论。

Load-line：负载线，PA的生命线

Load-line中文名称为负载线，是PA设计中最为重要的设计参考。对于PA来说，最重要的目的是进行功率有效的放大与输出，一切的设计理念均是为此服务。此时，以最大功率“传输”为首要目标的共轭传输无法完成最大功率“输出”的目的：PA需要实现的是将射频功率最大程度的从直流功率中榨取出来，而不是将已经产生的信号传输出去。实现射频功率最大化输出用到的就是“最佳负载匹配”，而不是用来最大化传输已有功率的“共轭匹配”。为了直观分析PA在不同负载下的功率输出，在PA设计中就引入了“负载线（Load-line）”的概念，用以观测PA在不同负载下的射频电压与电流摆幅，从而得出不同负载下的功率输出，找到最佳负载。

1.晶体管的DC-IV曲线

PA工作是基于晶体管的特性工作的，所以在讨论PA的Load-line之前，首先对晶体管特性做一个分析。

PA可以采用HBT、MOSFET、pHEMT等多种半导体工艺进行设计，不同工艺设计在PA的Load-line理论中分析方法基本相同。以下将以射频PA中最为常用的HBT（Hetero-Junction Bipolar Transistor，异质结双极型晶体管）器件为例进行分析。

HBT是一种特殊的BJT（Bipolar Junction Transistor，双极型晶体管），由两个背靠背连接的PN结构成。下图为HBT器件与其所设计的放大器的基本结构。

图：HBT器件及共发射极放大器基本结构

对于HBT器件来说，由于Base的小电压（或电流）可以对Collector的大电流进行控制，所以一个小的Base输出信号，就可以经由HBT器件在Collector产生大的输出信号，这就是HBT作为放大器的基本原理。

理想情况下，HBT器件在工作中有以下几个特点：

VCE要足够的大，才能建立起CE之间的电流

VCE足够大之后，ICE不受VCE控制，只受Base电流IB控制

ICE与IB呈β倍关系

简单起见，为了理解这种控制关系，可以把HBT器件理解为一个水龙头，Collector是水龙头的输入，Emitter是水龙头的输出，而Base是水龙头的控制：

水压要足够大，水龙头才可以有水流出（VCE要足够大）

一旦水压足够大，水龙头的出水量就不再由水压控制，而是由控制龙头Base控制（ICE不受VCE控制，只受Base电流IB控制）

出水量与龙头控制间有一个比例关系（β倍）

将HBT器件在不同的VCE电压及不同的IB控制下的ICE在直角坐标系中描绘出来，就得到HBT器件的DC-IV曲线（直流DC状态下的电流电压曲线），DC-IV曲线是半导体器件中的重要特性曲线。

图：将HBT器件理解为“水龙头”；HBT器件的DC-IV曲线

2.放大器的Load-line

实际放大器在工作中，需要驱动负载阻抗。放大器对负载阻抗的驱动作用以及其小信号电路等效如下图所示。在小信号等效电路中，HBT可以等效为电流控制电流源。

图：带有负载的放大器基本电路及其小信号等效模型

考虑负载

后，在满足欧姆定律的条件下，

点电压与电流的相互转换以电阻

为斜率进行相互转换。将这种转换关系对应到前节所述DC-IV曲线上，就得到一根斜率为

的直线，这根线就称之为此时放大器的Load-line。Load-line的斜率与负载呈反比，中文称为负载线。

图：输出电压与电流摆幅关系及Load-line

3.Load-line与输出功率间的关系

Load-line之所以重要，是因为其直接决定了放大器最大输出功率。

为了分析Load-line与输出功率的定性关系，在手算直观分析中，一般以A类放大器进行简化分析。B类、AB类等放大器结论相同，不过分析过程更为复杂，若考虑到谐波阻抗、负载阻抗虚部影响，就需要借助仿真软件仔细分析。

对于匹配到最佳负载的功率放大器来说，最大输出功率时其电压与电流摆幅均达到最大，交流峰值分别等于为

，此时放大器的输出功率

可以有多种表达方式，如：

此时：

并有关系：

由于在此负载线下，放大器有最大的输出功率，所以此负载线又叫放大器的最佳负载线：

。对于某5G PA，以

电压为例，若目标输出功率为34.5dBm （2.82W），则此时的最佳值Load-line在：

4.Load-line的阻抗与匹配

通过以上分析，可以得到某5G射频PA的最佳负载阻抗约在3.1Ω左右，在设计中，需要设计匹配网络将50Ω负载匹配至该目标负载阻抗。输出匹配网络在放大器中的位置与基本结构如下图所示：

图：5G PA的输出匹配网络

5. “高Load-line”与“低Load-line”PA

采用低压（配合低Load-line）方式设计的PA优势显而易见：更低工作电压使得供电只需要Buck电路，不用 Boost，这样供电电路会简单并且电源转换效率更好。虽然对于同样的输出功率来说，电压降低后电流会升高，但二者乘积相同，总功耗相同。

低压PA虽然优势明显，但对设计的挑战增大。低压PA所使用的Load-line较低，匹配网络进行转换时匹配网络的Q值变大，损耗增加。下表列出了采用4.2V设计时Load-line为3.1Ω，以此为标准，输出功率相同时，3.4V低压PA的Load-line为2.0Ω，损耗增加0.08dB，此额外损耗需要在设计中予以克服。对此损耗的克服一般通过优化PA设计可以实现。

图表：同输出功率，不同电压及Load-line下，所对应的匹配网络损耗

6. 实际应用中的Load-line

以上分析采用简单Class A PA进行简化分析，在实际应用中手机PA通常用Class F，Class AB，ClassE，和 Doherty等。这些PA需要的最佳负载可能是复数，并且需要考虑谐波负载，负载线的表现与Class A PA会有不同；

以上分析中，最佳负载线根据最大功率进行设计，通常PA设计需要综合考虑PAE与ACLR等其他指标；

另外，最佳负载匹配网络需要综合考虑阻抗变换比/网络元件Q/频率带宽三个要素。

Load-pull：负载线理论的最佳实践

虽然Load-line理论可以对PA特性进行简单清晰的分析，但在实际使用中，由于阻抗并非只有实部，并且加入导通角、匹配网络以及谐波影响后会变的非常复杂。Load-line理论对于清晰理解PA的设计思路很重要，但在实际设计与应用中显得心余力绌。

于是，Load-pull的概念被引入了进来。

说起Load-pull，射频人都不会陌生：在每本教科书里都会提到；Load-pull在Smith圆图上的等高线（Contour）也是PA设计和应用中的必备材料。下图为典型的Load-pull在Smith圆图上的结果呈现。

图：典型的Load-pull结果在Smith圆图上的呈现

相比于“Load-pull”名字的熟悉，大家对它背后的理论谈论较少。Load-pull的测试过程也像是“暴力破解”，好像没什么理论可依。

不过实际并非如此，Load-pull背后有详细的理论分析，PA届的大神Cripps于1983年发表的IEEE MTT-S的论文“A theory for the prediction of GaAs FET Load-pull Power Contours”［2］就曾用纯理论的方式对PA的Load-pull进行预测。通过测试验证，Cripps的理论预测完美的匹配了测试结果。

图：Cripps在1983年对PA Load-pull进行的理论预测及验证

接下来，就让我们沿着Cripps的思路，仔细理解Load-pull。

1. 什么是Load-pull

Load-pull的中文名翻译为“负载牵引”，是指将被测器件（DUT，Device under Test）的负载阻抗进行遍历，同时测试记录不同负载阻抗时的器件特性，从而得到最优阻抗的方法。

在CAD仿真软件中，Load-pull结果的获取较为容易，只需要将DUT的负载进行扫描，就可以绘制出多种多样的Load-pull图形，通常几秒中，就可以将Load-pull结果扫描出来。下图为使用ADS软件进行Load-pull仿真以及得到的结果［3］。

图：采用ADS软件仿真得到的Load-pull结果

在实际测试中，想要精准的遍历各个阻抗就不如仿真中容易了，需要借助Tuner（阻抗调谐器）来实现负载阻抗的控制，Tuner也是整个Load-pull系统中最为重要的组成部分。Tuner可以理解为阻抗调谐匹配单元，可以将固定的负载阻抗有控制的匹配至Smith圆图上的其他位置。Load-pull测试系统的原理图及实际测试系统如下图所示［4］［5］。