PA设计中重要的基础概念-电子发烧友网

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威廉希尔官方网站等效如下图所示。在小信号等效威廉希尔官方网站中，HBT可以等效为电流控制电流源。

图：带有负载的放大器基本威廉希尔官方网站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威廉希尔官方网站，不用 Boost，这样供电威廉希尔官方网站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］。