0 引言

　　目前,，全球應用于智能手機等便攜性移動設備的移動網絡急速發(fā)展和擴張,，且多功能智能手機應用愈加廣泛,，為滿足用戶實時通信的用戶體驗，應用于智能手機的通信系統(tǒng)應該能夠更加有效地處理文字,、聲音和視頻數據并實現全球漫游,。為了提供高數據速率的大數據傳輸，現代通信系統(tǒng)（WCDMA/3G/4G/LTE）采用了更加復雜的高頻譜效率的調制方式,，如OFDM或QPSK和QAM等相移鍵控和幅移鍵控相結合的調制方式,。為滿足不同用戶的使用需求，智能手機一般都支持兩種或者兩種以上網絡制式,，而隨著手機的工作制式不同,，其有效的頻率帶寬不同,，因此，作為通信模組之一的功率放大器（PA）應具備多頻多模（Multi-band and Multi-mode）的能力,。

　　作為3GPP(3rd Generation Partnership Project)的演進路線中的主流技術,，LTE-Advanced將是2015年的主流通信方式。LTE的關鍵技術有多載波和多天線技術,，其中多載波技術采用正交頻分復用(OFDM)的調制方式,，使各個子載波重疊排列，大大提高頻譜效率的同時保持了載波之間的正交性,，以避免載波之間的干擾,。不過，LTE信號在給定的受限的帶寬內,，有著非常高的峰均比(PAPR),，這使PA常工作在功率回退區(qū)，造成PA的實際效率低下的現象,。另外,，為了線性放大LTE這類非常包絡信號(non-constant envelope signal)，要求PA有著較高的線性度(Linearity),，因此,，應用于新一代通信系統(tǒng)的功率放大器，必須有著較高的功率效率和線性度,，且有著較寬的工作帶寬或者是滿足多頻多模的通信要求,。

　　隨著便攜設備的功能模塊越來越復雜，將各個模塊單片集成起來,，將大大縮短設備制造商的加工時間,，因此，如何減小芯片的有效面積和用廉價的工藝在單一芯片上實現整個射頻模組將是未來的研究主流?，F代比較流行的集成電路工藝主要有六種:硅CMOS,、BICMOS、Bipolar,、GaAs,、HBT和SiGe，但由于硅工藝是最為成熟的,，也是成本最低,、集成度高和應用最廣泛的集成工藝，另外,，大多數無線收發(fā)機的基帶處理部分都使用硅工藝,，因此，硅CMOS工藝是單片實現各個模塊集成的理想解決方案,。不過CMOS工藝自身存在著物理缺陷,，如低截止電壓(breakdown voltage),、較差的電流能動能力、片上無源器件的Q值小,、較大的寄生電容,、地襯底電阻率較低、沒有較為精確的RF模型和較差的線性度等,，這些缺陷都大大限制了CMOS在RFIC領域的應用,，而且通信系統(tǒng)對高效率、高線性度和可實現性有著很高的要求,，所以目前PA制造商還是常使用價格比較昂貴的III-V類混合硅半導體工藝器件(Compound Semiconductor Device)[1-4],，這些器件通過TWV(Through-Wafer-via)技術提供一個具有良好散熱效率的理想環(huán)境，常用于Bluetooth,、WLAN和GSM/GPRS等應用[5],。不過，CMOS工藝的物理缺陷可以通過一系列技術來緩解,，在高供電電壓的情況下,，可以選擇HV CMOS和BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工藝[6]。采用下行鍵合線(Down-bonding Wires)可以實現在給定的負載下得到較高的輸出功率,，這種方法的缺點是會減小電壓擺幅,，不過可以通過引入差分結構克服這個缺點。解決CMOS工藝低截止電壓的一個很好的技術是引入共源共柵的Cascode結構,，不過這種結構會使等效的knee電壓增加,，所以也會在一定程度上減小電壓擺幅。CMOS的寄生電容和襯底較低的電阻率,，使得在晶體管引腳間的信號存在著耦合,，不過這種耦合影響也不全是消極的，通過利用在Cascode結構中的共柵(CG)晶體管的RF泄露信號(Leakage signals)提供一個負反饋,，不僅可以增強線性度,，而且可以減小柵極和漏極間的電壓耦合，這種方法最大的一個優(yōu)點就是不需要額外的器件和芯片面積,，而且容易實現,。由于CMOS的跨導較低，其電流驅動能力較其他III-V類半導體低,，需要通過級聯結構來實現(Cascaded-stage)較大的功率增益,，所以,，多級級聯(multistage cascade topology)是CMOS PA中最常見的一種電路拓撲,。雖然采用Cascode結構和柵氧厚度較厚的晶體管可以減輕CMOS的熱載流體效應和低柵氧厚度的低擊穿電壓的問題，但這并不是最理想的辦法,。根據最新的研究報告,，應用于3G/4G的手持設備的硅工藝PAs的性能已經可以和III-V類PAs相比擬[7],，另外，類似于III-V類工藝的TWV技術,，在SiGe BiCMOS工藝中,， TSV（Through-Silicon-Via）技術同樣可以為SiGe BiCMOS工藝提供一個理想的回流地環(huán)境和熱釋放條件，因此,，采用TSV技術的SiGe CMOS工藝將會是PA設計的一個首選方案[8],。

1 PA效率增強技術的關鍵研究進展

　　功率放大器是手持移動設備中耗能最大的模塊之一，因此為了延長電池的使用壽命和迎合新一代通信(4G/LTE)的要求,，高效率是PA設計的一個很重要而且頗有挑戰(zhàn)性的指標,。由于傳統(tǒng)的PA供電電壓是固定的，而且它的最優(yōu)負載僅僅是當PA輸出最大功率時的最優(yōu)阻抗,，對于LTE這種有著高PAPR的調制方式,，PA常工作在功率回退區(qū)，因此PA的實際工作效率非常低,。

　　提高這類PA效率的關鍵技術主要有兩類：通過一定方法調制負載,，使每個功率回退點都對應于一個最優(yōu)阻抗[9]和通過輸出的瞬時功率調制供電電壓，從而減小功率回退時的靜態(tài)功耗,。第一種通過調制負載的方法常用于手機等移動設備,，第二種方法常常直接通過利用調制信號的包絡直接去調制PA的工作電壓，從而減小功耗[10],。

　　通過直接調制PA的工作電壓而達到增強PA效率的技術主要有PM(Polar Modulation),、EER(Envelope Elimination and Restoration)和ET(Envelope Tracking)，如圖1所示,。PM利用數字信號處理技術(DSP)來產生相位和幅度調制信號[11,，12]，不過這種方法受限于DC-DC轉換器自身的效率,、帶寬和面積,，并且DC-DC轉換模塊通常需要使用片外的電感和開關實現，這大大限制了PM在RFIC中的應用,。EER和ET是目前PA效率增強的主流技術,。EER通過包絡檢波器和限幅器將輸入信號分解成幅度信號和相位信號，因此可以用非線性PA來放大相位信號,，而PA的電壓則由幅度信號調制,，從而可以達到較大的效率，如圖2所示,，但EER內部固有的非線性導致幅度調制路徑和相位調制路徑間存在延時[13,，14]。

　　與EER不同的是,，ET使用線性的PA,，如圖3所示,。因此，ET的最大的一個好處就是沒有類似于EER的這種延時失配現象[15],，從而使ET技術可以在增強效率的基礎上通過其他技術來取得線性度和效率之間的折中,，并可以應用于寬帶信號[16]。ET主要目標是為了當輸入高PARP信號時,，同時在最大輸出功率和在功率回退區(qū)域獲得最大工作效率,，且滿足高線性度的要求，如EVM和ACLR等,。另外,，ET技術的效率和線性度依賴于電源調制器（Supply Modulator），如果電源調制效率低下,，則ET整體的效率就非常低,，因此必須增強電源調制器的線性度，文獻[17]通過雙開關和前饋信號來增強電源調制器的效率,。為了精確跟蹤寬帶信號并不產生明顯失真,，需要提高電源調制器的工作帶寬[18]。

　　使用ET技術可以大幅度提高功率回退時的效率,，如圖4所示,，為了減小復雜性和提高跟蹤精度，電源調制器可以通過開關實現在線性區(qū)使PA工作電壓保持一個較小的恒定值,，而在過渡區(qū)和壓縮區(qū)則通過調制信號的包絡來調制PA的工作電壓,，如圖5所示。采用這種方式的ET技術有一個缺點,，那就是增益會有所降低,，如圖6所示，但這種方式較固定電壓的方式有著較低的ACLR和EVM,，特別是在高輸出功率的情況下,，如圖7和圖8所示。

　　ET技術的一個優(yōu)點是相位調制和幅度調制環(huán)路間沒有延遲失配,，故可以在效率,、線性度和帶寬間進行折中設計，這些技術都可以歸納為ET的優(yōu)化技術,，其中較為重要的是改善線性度,，而包絡整形(Envelope-shaping)是改善線性度的一個有效方法[1]，其結果可以通過跟蹤掃描的點來表示出來[19],。這種方法可以改善工作于ET方式下的PA性能,，包括效率和線性度[20]，通過結合其他電路拓撲結構，可以更進一步改善ET PA的效率,。文獻[21]通過采用偽差分的拓撲結構，結合SiGe BICMOS的TSV技術實現了一個高效率的ET-PA系統(tǒng),。

　　改善ET的效率的另一個有效的方法是像傳統(tǒng)開關PA一樣引入工作在飽和區(qū)的功率放大器（Saturated Power Amplifier）,，這樣不僅可以提高ET PA的輸出功率，還可以最大化效率,。

　　為了同時改善PA的動態(tài)范圍,、線性度和效率，可以采用動態(tài)反饋控制(Dynamic feedback control)和共源共柵Cascode結構的電路拓撲[22],，這種結構中的CG級采用了自偏置技術,，從而改善了線性度和效率。不過這種結構也存在著自身的缺陷,，因為CG級的晶體管的非線性會使整體的線性度下降,，而且漏-柵間的擊穿電壓問題將是這種結構的一個瓶頸。這是因為工作于ET PA的CG級在ET PA工作于功率回退區(qū)時,，由于電源調制器的作用,，PA的工作電壓會很小，而且Cascode結構的飽和電壓相對較高（如knee電壓）,，使晶體管工作在線性區(qū),從而使ET PA在峰值功率和回退時的功率增益會有著很大的偏差,，這就使PA的線性度和動態(tài)范圍性能下降了[23]。這個問題存在的根本原因是因為CG級的偏置電壓是固定的,，因此,，可以通過柵極自適應動態(tài)偏置技術和Cascode反饋偏置(Cascode Feedback Bias Technique)技術進行折中設計，反饋偏置技術利用在CMOS工藝下CG晶體管的泄露信號通過負反饋環(huán)路反饋到偏置電路,，從而改善CMOS PA的線性度[24],，采用共源共柵Cascode結構的另外一個需要仔細考慮的問題是關于CG級和CS級的尺寸比例，這在一定程度上會影響PA整體的效率[22],。對于ET技術在多頻多模情況下的應用,，簡單而高效的方法是通過并聯一個開關電容從而實現兩個模式間的切換，文獻[1]通過結合升壓電源調制器(Boosted supply modulator)和開關電容實現了一個雙模多頻帶的高效率ET功率放大器,，使ET PA不僅可以工作在高功率模式,，還可以工作于低功率模式。

　　由于多數移動設備可以在多個網絡制式間相互切換,，因此,，對于工作于類似于GSM/EDGE網絡制式下的PA，可以采用其他技術來增強效率,。如采用反相結構（outphasing architecture）的PA,，這種結構最大的優(yōu)點是可以使用非線性PA，且不需要額外的電源調制器就可以獲得較大的效率并不會引起輸出電壓擺幅下降，最大的缺點就是輸出端的求和電路不可避免會存在著功率損耗,，因此求和的兩條路徑間的匹配會影響到整體電路的效率[25],。Doherty PA也是一種能夠有效提高功率回退區(qū)效率的增強技術，最大的理論效率可以達到79%,，并擴展大概6 dB的線性范圍[26],，不過，這種技術由于需要采用1/4波長傳輸線,，不僅增加了損耗,，還需要占據較大的芯片面積，從而大大限制了其在RFIC的應用,。

　　高電壓應用下的效率增強,，可以采用傳統(tǒng)的開關功率放大器，其中關鍵問題是片上電源的耦合和反彈[27],，一個可行的解決方案是采用兩個較寬的開關PA并聯代替原來的開關PA,，從而避免了開關PA的感性反饋，從而減小了電源耦合[6],。另外,，通過采用壓電器件(Piezoelectric Device)，可以使PA輸出幾十瓦的功率并且有著很高的集成度,，這種壓電器件有著很好的噪聲控制[28],，又因壓電反應可以等效為一個壓電電容，因此并不會增加電路分析的復雜度,。

2 高線性PA的關鍵技術研究進展

　　當PA工作于高效率區(qū)時,，PA將會因本身的非線性而出現功率壓縮，從而減小了PA的功率增益,，而當PA工作于功率回退區(qū)時,，PA的實際工作效率非常低，這將會消耗大部分電能,，因此,，PA的線性化目的是改善PA的整體線性度，且使整體的效率比功率回退時的效率高,。PA的線性體現為兩個方面：AM-AM和AM-PM失真,。而衡量PA的線性度和偏離程度的指標，應該根據系統(tǒng)的要求和調制方式來決定,。PA常用的線性度指標有ACPR,、EVM、1 dB壓縮輸出功率和三階交調點,，在工程上常用單音(single tone)和雙音信號(two tone)對PA分別進行諧波和交調失真等非線性測量與分析,。此時，ACPR代表頻譜帶外的失真，而EVM代表帶內失真,。由于雙音信號會對相鄰信道造成干擾,，所以對于某一信道，都有一個頻譜限制(spectral mask),。

　　改善PA的線性度的一個常用方法是通過反相的非線性補償電路來抵消原來電路的非線性[29-31],，這些電路通過補償AM-AM或者是AM-PM失真來達到優(yōu)化線性度的目的，然而,，2-D電路綜合技術（2DCST）,，利用電流-電壓轉換器和可調的壓控電容（Voltage Characteristic Capacitor）實現同時補償AM-AM和AM-PM失真,，且不需要反相電路[32],。雖然這些技術可以比較有效地改善PA的線性度，不過這些技術需要額外的控制單元,，如電流-電壓轉換器等,，從而限制了其在RFIC方面的廣泛應用。

　　反饋是改善PA線性度的另外一種有效的方法,，而且可以改善帶寬,，不過前提是犧牲了增益。前饋技術(Feed Forward)廣泛應用于高穩(wěn)定性要求的PA設計中,，主要通過前饋錯誤環(huán)路獲得原始信號的錯誤信號,，然后將放大后的信號與錯誤信號相減，從而得到線性的信號,，如圖9所示,。如果其內部的兩級PA是穩(wěn)定的，則整體的PA就是非常穩(wěn)定的,，然而前饋技術的如下幾個缺陷使其在RFIC中的應用極其有限：

　　(1)如果延時單元由無源器件組成,，則會增大PA整體的損耗，如果由有源器件組成,，則會因為無源器件的非線性造成失真,；

　　(2)輸出級的減法器間的損耗，大大降低了PA的整體效率,；

　　(3)整PA線性度的改善決定于每個減法器的信號的增益和相位匹配,。

　　采用Cartesian負反饋技術(Cartesian Feedback)[33]可以克服前饋技術的以上缺點，因為Cartesian Feedback 不需要使用減法器,，如圖10所示,，并且對環(huán)路間的失配不敏感，與Cartesian Feedback技術相似的還有極化環(huán)路反饋技術(Polar Loop Feedback)[34],，這兩種技術有著相反的特性,，不過都對負載和PVT的變化不敏感，而較大的缺點就是環(huán)路的帶寬受限，文獻[33]通過犧牲較大的輸出功率而實現帶寬超過10 MHz的PA,。與改善效率的方法一樣,，同樣可以通過在Cascode結構中結合反饋和自適應偏置技術來改善線性度[35]。

　　將RF輸出信號直接反饋到輸入端,，雖然可以獲得較大的帶寬,，但在RF頻率上容易造成PA不穩(wěn)定，從而產生振蕩,，雖然文獻[36]通過結合偏置技術改善了這種情況,，但其所采用的方法僅僅適用于驅動級。為了克服直接負反饋在RF頻率下不穩(wěn)定的缺點,，文獻[37]通過直接檢測輸入和輸出端的信號相位和幅度,，采用雙路閉環(huán)負反饋結構。這種方法又稱功率反饋(Power Feedback),，這種結構通過消除AM-AM失真的方法來實現輸出較大的功率而沒有群延時失真[38],，不過這種方法得益于III-V類工藝的優(yōu)點，因此并不適用于CMOS工藝,，因為CMOS工藝本身的線性度較差,，且其非線性的柵極電容會造成較大的AM-AM和AM-PM失真。

　　采用預失真技術（Pre-distortion）也是一種比較可行的線性PA結構,，不過這種結構得益于預先可估計的失真模型,，從而構建與之相反的模型電路來達到失真補償的目的。如果PA的非線性特性隨工藝,、溫度和負載阻抗變化時,，預失真技術并不是理想的解決方案，因為很難去同時構建一個全方面的失真模型,。

3 總結

　　隨著移動設備的功能越來越復雜,，集成度越來越高，單片實現RF前端模組有著重要的研究意義,，又因為RF的基帶處理單元基本都使用硅工藝,，與之兼容的硅CMOS工藝是很好的解決方案。雖然CMOS工藝因為物理缺陷在性能上比不上III-V類工藝,，但是隨著研究的深入,，通過結合其他優(yōu)化技術，使用CMOS實現RF的一些重要模塊已經成為可能,。

　　隨著新一代網絡（4G/LTE）的應用和逐漸普及,，移動通信的數據空前增長，移動設備對電池續(xù)航時間的要求也大大提升,。LTE上行鏈路信號采用SC-FDMA調制方式,，均峰比明顯高于W-CDMA,。PA作為移動終端中耗能最大的模塊之一，LTE上行鏈路信號的功率電平大部分時間都保持在較低值,，極少達到峰值功率,，因此，PA大部分時間工作在功率回退區(qū),，從而消耗電池電能,，進而影響設備的散熱設計功耗(TDP)。

　　包絡跟蹤(ET)技術根據PA的輸入信號的包絡動態(tài)調整PA的工作電壓,，使PA在回退時也有著較高的效率,，且ET內部有著固有的線性特性，使ET PA很容易在線性度,、效率和帶寬之間的進行折中設計,，所以ET是應用于LTE環(huán)境的一個較好的解決方案。

　　非線性是PA處理類似于LTE這些高PAPR信號的另外一個問題,，因為隨著輸入信號功率的加大,，PA會因為內部的非線性而出現功率增益壓縮,，從而無法線性放大輸入信號而出現失真,，最終導致ACLR和EVM超標。PA的線性度的改善可以采用反饋和數字預失真的方法,，不過采用預失真的方法需要提供一個比較完善的失真模型,，而反饋則會使增益下降。隨著DSP技術的成熟,，數字預失真技術也逐漸成為ET PA的主流線性優(yōu)化技術,。

參考文獻

　　[1] YUNSUNG C，DAEHYUN K,，JOOSEUNG K,，et al.A dual power-mode multi-band power amplifier with envelope tracking for handset applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013,，61(4)：1608-1619.

　　[2] KANG D,，DAEKYU Y，KYOUNGJOON M,，et al.A highly efficient and linear class-AB/F power amplifier for multi-mode operation[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,，2008，56(1)：77-87.

　　[3] YU Z,，METZGER A G,，ZAMPARDI P J，et al.Linearity improvement of HBT-based Doherty power amplifiers basedon a simple analytical model[J].IEEE Transactions on Mic-rowave Theory and Techniques,，2006,，54(12)：4479-4488.

　　[4] YOUNGOO Y,，CHOI K，WELLER K P.DC boosting effect of active bias circuits and its optimization for class-ABInGaP-GaAs HBT power amplifiers[J].IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,，2004,，52(5)：1455-1463.

　　[5] CHOWDHURY D，HULL C D,，DEGANI O B,，et al.A fullyintegrated dual-mode highly linear 2.4 GHz CMOS power amplifier for 4G WiMax applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2009,，44(12)：3393-3402.

　　[6] Haifeng M,，van der Zee R，Nauta B.Design and analysis ofa high-efficiency high-voltage class-D power output stage[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,，2014,，49(7)：1514-1524.

　　[7] KRISHNAMURTHY V，HERSHBERGER K,，EPLETT B,，et al.SiGe power amplifier ICs for 4G(WIMAX and LTE)  mobile and nomadic applications[C].Radio Frequency Integrated Circuits Symposium(RFIC)，2010 IEEE,；2010 23-

　　25 May 2010.

　　[8] RUILI W,，LOPEZ J，YAN L,，et al.A highly efficient 1-Watt broadband class-J SiGe power amplifier at 700 MHz[C].Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems(SiRF),，2012 IEEE 12th Topical Meeting on；2012 16-18 Jan.2012.

　　[9] JOONGJIN N,，JIN-HO S,，KIM B.A handset power amplifierwith high efficiency at a low level using load-modulation technique[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005,，53(8)：2639-2644.

　　[10] YAN L,，LOPEZ J，PO-HSING W,，et al.A SiGe envelope-tracking power amplifier with an integrated CMOS envelopemodulator for mobile WiMAX/3GPP LTE transmitters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,，2011，59(10)：2525-2536.

　　[11] NAKATANI T,，RODE J,，KIMBALL D F，et al.Digitally-controlled polar transmitter using a Watt-Class current-mode class-D CMOS power amplifier and guanella reverse balun for handset applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,，2012,，47(5)：1104-1112.