5G射频PA架构

作者：彭洋洋博士

自2019年5G元年开始，过去3年5G建设如火如荼的进行。5G快速发展中，受益最大的就是射频前端芯片。根据Yole的预测，至2026年，全球射频前端总市场将达到216.7亿美金，与2019年的124.1亿美金相比，7年增长率达74.6%。

射频前端芯片是无线通信的核心器件，是指天线之后、收发机之前的功能模块，因为位于通信系统的最前端，所以被称为“射频前端”，一般包含功率放大器、滤波器/双工器、开关以及低噪声放大器。

图：射频前端的构成及功能

射频PA（Power Amplifier，功率放大器）是射频前端中的重要器件，其性能直接决定信号的强弱、稳定性、功耗等重要因素，决定用户体验。其核心参数包括增益、带宽、效率、线性度、最大输出功率等，众多平衡的性能指标非常考验设计能力。

图：射频PA在芯片设计中的位置

随着5G的发展，对射频PA的技术性能需求再次拉升，需要PA有更高的工作频率、更高的功率、更大的带宽，同时模组化的到来也需要PA设计满足高集成度模组化的需求。

于是，不同架构设计的PA被大家关注起来，除了日常听说的单端PA，近年来手机应用中还出现了如Push-pull PA、Balance PA、Doherty PA等等多种PA架构。这些PA架构分别指的是什么？它的原理是什么？应用时有什么特点？本文将对以上问题进行讨论。

PA的设计理念  

PA是Power Amplifier（功率放大器）的缩写，是一类主要用于功率放大输出的放大器类型。与其他放大器，如低噪声放大器、驱动放大器不同，功率放大器的主要目的是从直流榨取出尽量多的射频信号，而不是仅仅关注增益。

为了达到足够高的功率输出，PA的输出放弃了用来最大信号“传输”的共轭匹配，而采用了可以实现最大功率“输出”的负载线匹配。另外，为了实现可控的直流消耗，PA设计必须考虑效率优化设计。

负载线匹配使得PA的电压与电流摆幅均达到最大，也即达到了最大功率输出的目标。有关PA负载线设计的理念，可参考文章《5G PA的Load-line与Load-pull》点击蓝字跳转。

图：负载线理论与电压/电流摆幅

以上仅为单个PA单元的设计思路与方法，在实际应用中，有可能单个器件的电流、电压摆幅不足以满足PA整体指标需求；也有可能需要结合架构设计，实现改善效率、改善驻波的需求。这时，就需要在PA架构侧做改进。

 PA的架构设计 

 PA的核心目标就是 “功率” ，不同PA的架构也是围绕 “功率合成” 这一理念进行的。在功率合成中，根据功率合成类型的不同，可以将功率合成分为“简单功率合成”与“特殊功率合成”。

“简单功率合成”是指将多个小功率器件进行合成，直到合成至足够大的功率。简单功率合成的方式有：电流合成、电压合成、功率合成。

“特殊功率合成”是指利用较为特殊的合成方法，在合成的时候完成一些特殊的特性设计。常见的合成方法有Push-pull（推挽）、Balance（平衡）、Doherty（多尔蒂）等。

以下将对几种PA架构的设计进行讨论。

简单功率合成  

电流合成

电流合成是最简单的功率合成方式，实现方式是将多个较小的器件进行并联连接，将电流进行并联。

图：功率放大器的电流合成

在实现上，电流合并即在Layout中将多个晶体管的基极、集电极、发射极分别连接，由于实现简单，在功率放大器的设计中被广泛采用。

下图为典型的GaAs功率放大器功率级版图，图中末级的功率输出级由4列功率阵列（Power Array）构成，每个功率阵列包含5个功率单元（Power cell），共计20个功率单元，一起完成末级功率放大输出。

图：典型功率放大器功率级版图

虽然电流合并实现简单，但在设计的时候也有许多要点需要注意：

1. 单个功率阵列不易过长，以确保电流是同相叠加

2. 不同阵列之间合并时要注意走线的对称性，保证电流合成时的相位相同

3. 用于电流合并的走线较宽，要注意合理设计，减少走线带来的寄生电容效应
    

电流合