作者：彭洋洋博士
PA（Power Amplifier，功率放大器）是通信系统的重要组成模块，负责将射频信号的放大与功率输出。PA的性能及可靠性对整个发射系统有重要的影响。
在手机通信系统中，PA的输出信号约为29~32 dBm (约1,000 mW)的大功率，对比收发机芯片0dBm (1mW)左右的功率输出 ，PA输出功率大1000倍。
图1：典型手机通信系统链路
高功率、高功耗的应用也对PA可靠性提出挑战。在系统应用中，“烧PA”是工程师讨论中的热点话题。
为什么会烧PA？手机PA芯片中的半导体器件
PA设计常用的半导体工艺为GaAs HBT、GaAs pHEMT、SOI 、Bulk CMOS（体硅CMOS）。其中，GaAs HBT因为其功率密度大，成本低（相较于GaAs pHEMT），成为射频功率放大器功率输出级的首选工艺。
HBT器件有三个极限参数，分别为：
- 集电极最大允许电流Icmax
- 集电极最大允许热耗散功率
- 集电极-发射极反向击穿电压BVCEO
在实际工作中，需要保证器件的最大工作电流、耗散功率、最大电压，在额定范围内。
PA的电压、电流摆幅
对于射频PA的HBT器件，输出晶体管的集电极有最大电压及电流摆幅。此点电压与电流之间的摆幅随时间变化，为了更好的表征电压与电流之间的关系，通常用Loadline（负载线）的方式，将电压与电流画在同一幅图中，如图2所示。
图2：一款PA的典型的动态负载线
晶体管的负载线反应了在不同的负载下，晶体管电压与电流间的相互关系，一般画在DC-IV曲线上。在负载线中：
- 负载线的斜率反应了负载阻抗的大小。
- 实际电路中，由于负载虚部的存在，会形成电压/电流相位差，可能使得负载线表现为中空的环形。
- 直流工作点的选择（电压及电流），对负载线的摆幅有影响。
在PA工作中，由于高电源电压、高VSWR的存在，会让PA输出电压、电流摆幅增大。图3为一个典型的功率放大器，分别是在3.2V及5V偏置电压下，50Ω及VSWR=10:1下的动态负载线 [2]。可以看到，在大电压及VSWR下，PA将需要承受更大的电压及电流摆幅。当电压及电流摆幅超过器件的耐受值时，就会造成器件烧毁。
图3：不同电压及VSWR下，PA动态负载线的变化
如何保护PA不被烧毁？- 设计保障
PA需要合理设计，确保满足Ruggedness需求。
电流设计保障
需要合理设计器件的尺寸，确保在各个条件下，器件所通过的最大电流，小于器件的最大耐受电流。
在对通流的设计中，需要着重注意的是，PA末级并联了多个晶体管器件，需要保证电流均分在整个器件中，而不是所有电流集中于某一个器件，将器件烧毁。
由于HBT器件开启电压随温度升高而降低，过大的电流会降低开启电压，同时使电流进一步增大，直到器件烧毁。这种效应叫做Thermal Run-away，是电流烧毁中一种常见形式。
为了防止Thermal Run-way的发生，需要在晶体管的Base端或者Emitter端加入Ballast电阻。Ballast电阻的存在，使得电流变大的过程中，Vbe电压会减小，防止电流的进一步增大[3]。
图4：PA的热分布不均（左），及Ballast电阻的设计
电压设计保障
对于电压防护，一般采用在末级晶体管Collector并联放置二极管串的方式进行稳压，使得输出摆幅稳定在二极管串的开启电压。
在电压防护电路设计中需要注意，一定要保证防护电路放置位置的对称性，确保所有器件的电压摆幅得到保护。
电路设计保障
为了保护射频PA工作再合理的工作范围，设计公司还会对PA加入过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、过驱动保护（ODP）等保护电路。在电压、电流及输入信号超过额定范围后，对以上参数进行钳位保护。
- Ruggedness测试
由于PA可靠性难以靠仿真来准确设计，PA设计完成后，必须通过完整的Ruggedness测试，来确保PA的可靠性。
完整的Ruggedness测试环境如下图所示：
图5：Ruggedness测试环境
Ruggedness测试需要涵盖以下测试条件：
以上测试项需要交叉组合，确保任意条件下，PA均不会有Ruggedness问题。
由于半导体器件的最大击穿电压BVCEO随温度降低而降低，PA增益随温度降低而升高，一般Ruggedness最恶劣的点发生在低温。所以，一般低温下，最大输入功率、最高电压、最大VSWR下，为Ruggedness最差条件。
- 应用保障
虽然合格的PA在出厂前，进行了完整的Ruggedness测试，但在应用中仍然需要对应用环境加以注意，确保Ruggedness在应用中得到保障。应用中需要的主要保障如下：
- 适当控制电源电压
由图3所示，PA在低电压应用时，有较小的电压及电流摆幅，PA的Ruggedness将得到较好的保障。所以在应用中，适当控制电压电压，尽可能使用较低的电源电压，有助于提升器件的Ruggedness。
- 适当控制输出功率
大功率输出时，PA输出将有更大的电压电流摆幅。在应用允许范围内，适应控制输出功率，将有助于Ruggedness提升。
- 注意电源完整性及信号时序
手机是一个相当复杂的系统，涉及到多个模块之间的联动。在应用中，需要着重注意电源完整性（是否有过高的电压脉冲）、偏置控制信号的时序、输入信号的大小及时序，来确保PA是被工作在正常的状态。
总结PA Ruggedness设计是一个复杂工程，与器件物理、电路设计、系统应用均相关。在PA设计中，一定要对Ruggedness仔细设计，才可以确保手机在各种环境应用中，均不会出现“烧片”。
由于篇幅所限，无法对“烧PA”的底层原理及规避展开详细讨论。
如有需要，请联系慧智微在地销售，安排详细的技术交流进行讨论。
《资料参考》
[1] M.-D. Tsai et al., "10.6 a 4G/5G cellular transmitter in 12nm FinFET with harmonic rejection", IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 182-184, Feb. 2020.
[2] K. Yamamoto, S. Suzuki, K. Mori, T. Asada, T. Okuda, A. Inoue, et al., "A 3.2-V operation single-chip dual-band AlGaAs/GaAs HBT MMIC power amplifier with active feedback circuit technique", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 35, no. 8, pp. 1109-1120, 2000.
[3] Golio, Mike, Golio, Janet , RF and Microwave Circuits, Measurements, and Modeling (The RF and Microwave Handbook, Second Edition)
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