功率放大器（PA，Power Amplifier）作為通信系統(tǒng)中的重要組成模塊，主要負(fù)責(zé)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大并實(shí)現(xiàn)功率輸出。其性能和可靠性對(duì)整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。在手機(jī)通信系統(tǒng)中，PA 輸出信號(hào)功率約為 29 - 32dBm（約 1000mW），相比 Transceiver 芯片約 0dBm（1mW）的功率輸出，PA 的輸出功率大了 1000 倍。同時(shí)，為了達(dá)到相應(yīng)的射頻功率輸出，PA 通常需要消耗約 1900 - 4000mW 的直流功耗。如此高的功率和功耗應(yīng)用，對(duì) PA 的可靠性提出了巨大挑戰(zhàn)，“燒 PA” 也成為工程師們討論的熱點(diǎn)話題。

功率放大器損壞的原因

1. 手機(jī) PA 芯片中的半導(dǎo)體器件
   PA 設(shè)計(jì)常用的半導(dǎo)體工藝包括 GaAs HBT、GaAs pHEMT、SOI CMOS、Bulk CMOS（體硅 CMOS）。其中，GaAs HBT 因其功率密度大且成本相對(duì)較低（相較于 GaAs pHEMT），成為射頻功率放大器功率輸出級(jí)的工藝。HBT 器件有三個(gè)極限參數(shù)，分別是集電極允許電流 Icmax、集電極允許熱耗散功率以及集電極 - 發(fā)射極反向擊穿電壓 BVCEO。在實(shí)際工作中，必須保證器件的工作電流、耗散功率和電壓都在額定范圍內(nèi)。
2. PA 的電壓 / 電流擺幅
   對(duì)于射頻 PA 的 HBT 器件，輸出晶體管的集電極存在電壓及電流擺幅。為了更好地表征電壓與電流之間的關(guān)系，通常采用 Loadline（負(fù)載線）的方式，將電壓與電流繪制在同一幅圖中。晶體管的負(fù)載線反映了在不同負(fù)載下，晶體管電壓與電流間的相互關(guān)系，一般畫(huà)在 DC - IV 曲線上。負(fù)載線的斜率反映了負(fù)載阻抗的大??；實(shí)際電路中，由于負(fù)載虛部的存在，會(huì)形成電壓 / 電流相位差，可能使負(fù)載線表現(xiàn)為中空的環(huán)形；直流工作點(diǎn)的選擇（電壓及電流），對(duì)負(fù)載線的擺幅也有影響。
   

   

   
   圖 2：一款 PA 的典型的動(dòng)態(tài)負(fù)載線

在 PA 工作時(shí)，高電源電壓和高 VSWR（電壓駐波比）會(huì)使 PA 輸出電壓、電流擺幅增大。例如，在大電壓及 VSWR 下，PA 需要承受更大的電壓及電流擺幅。當(dāng)電壓及電流擺幅超過(guò)器件的耐受值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致器件燒毀。

功率放大器的保護(hù)手段

1. 設(shè)計(jì)保障
   • 電流設(shè)計(jì)保障：需要合理設(shè)計(jì)器件的尺寸，確保在各種條件下，器件所通過(guò)的電流小于其耐受電流。在 PA 末級(jí)，通常會(huì)并聯(lián)多個(gè)晶體管器件，必須保證電流能夠均勻分布在整個(gè)器件中，避免所有電流集中于某一個(gè)器件而將其燒毀。由于 HBT 器件開(kāi)啟電壓隨溫度升高而降低，過(guò)大的電流會(huì)降低開(kāi)啟電壓，進(jìn)而使電流進(jìn)一步增大，直到器件燒毀，這種效應(yīng)被稱為 Thermal Run - away，是電流燒毀中常見(jiàn)的形式。為了防止 Thermal Run - away 的發(fā)生，需要在晶體管的 Base 端或者 Emitter 端加入 Ballast 電阻。Ballast 電阻的存在，使得電流變大時(shí)，Vbe 電壓會(huì)減小，從而防止電流的進(jìn)一步增大。
     

     

     
     圖 4：PA 的熱分布不均（左），及 Ballast 電阻的設(shè)計(jì)
   • 電壓設(shè)計(jì)保障：對(duì)于電壓防護(hù)，一般采用在末級(jí)晶體管 Collector 并聯(lián)放置二極管串的方式進(jìn)行穩(wěn)壓，使輸出擺幅穩(wěn)定在二極管串的開(kāi)啟電壓。在電壓防護(hù)電路設(shè)計(jì)中，要保證防護(hù)電路放置位置的對(duì)稱性，確保所有器件的電壓擺幅都能得到保護(hù)。
2. Ruggedness 測(cè)試
   由于 PA 可靠性難以通過(guò)仿真準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，PA 設(shè)計(jì)完成后，必須通過(guò)完整的 Ruggedness 測(cè)試來(lái)確保其可靠性。完整的 Ruggedness 測(cè)試環(huán)境涵蓋多種測(cè)試條件，這些測(cè)試項(xiàng)需要交叉組合，以確保在任意條件下，PA 均不會(huì)出現(xiàn) Ruggedness 問(wèn)題。由于半導(dǎo)體器件的擊穿電壓 BVCEO 隨溫度降低而降低，PA 增益隨溫度降低而升高，一般 Ruggedness 惡劣的情況發(fā)生在低溫。所以，通常在低溫、輸入功率、電壓、 VSWR 的條件下，PA 的 Ruggedness 差。
   

   

   
   圖 5：Ruggedness 測(cè)試環(huán)境
3. 應(yīng)用保障
   • 適當(dāng)控制電源電壓：由圖 3 可知，PA 在低電壓應(yīng)用時(shí)，電壓及電流擺幅較小，其 Ruggedness 能得到較好的保障。因此，在應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)控制電源電壓，盡可能使用較低的電源電壓，有助于提升器件的 Ruggedness。
   • 適當(dāng)控制輸出功率：大功率輸出時(shí)，PA 輸出的電壓電流擺幅會(huì)更大。在應(yīng)用允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)控制輸出功率，有助于提升 Ruggedness。
   • 注意電源完整性及信號(hào)時(shí)序：手機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及多個(gè)模塊之間的聯(lián)動(dòng)。在應(yīng)用中，需要著重注意電源完整性（是否有過(guò)高的電壓脈沖）、偏置控制信號(hào)的時(shí)序、輸入信號(hào)的大小及時(shí)序，以確保 PA 工作在正常狀態(tài)。