无线系统中的功率放大器技术的解决方案

每个无线系统的最后一个输出级包括某种形式的RF功率放大器（PA），用于将信号发送到天线。根据无线系统使用的频段，功率输出和所需效率，设计人员可以从采用多种技术制造的功率放大器中进行选择 - 砷化镓（GaAs），磷化铟镓，硅锗，双极，CMOS或氮化镓（GaN）。手机等系统;无绳电话; Wi-Fi，LTE和WiMAX适配器;无线路由器和接入点;无线电缆更换;基站;中继器;即按即说收音机;对讲机; ZigBee的;蓝牙在射频功率输出，频段，效率要求和成本方面都存在显着差异。因此，具有多种PA选项允许设计人员优化无线系统，以实现最佳的成本/性能折衷。

对于电池供电系统，低运行和待机电流以及高功率效率是关键要求，因为电流消耗和效率将显着影响系统的电池寿命。 PA的效率越高，通话时间越长或Wi-Fi连接的持续时间越长。诸如基站，路由器和接入点之类的线路供电系统通常需要更高功率的输出，因此具有更高的有效电流。虽然效率仍然很重要，但原因不同。许多系统都在密封的外壳中，气流最小，因此热量积聚是一个重要问题。效率越高，散热越少，系统可靠性越高。

在所有技术中，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）为未来的系统设计带来了许多希望。由于GaN器件可以在高温下工作（因此可以使用更小的散热器）并处理高功率水平，因此它们是移动基础设施系统（基站）和WiMAX无线应用的理想选择。目前，基于GaN的PA比硅解决方案更昂贵，但GaN的增强性能和在高频（》 4 GHz）下工作的能力可能使成本在系统级别上排列。此外，未来的制造进步还将进一步降低GaN的成本。让我们来看看各种技术的一些放大器产品。

GaN解决方案刚刚开始应用于电子对抗，雷达和通信系统等系统。作为首批商用单片GaN HEMT功率放大器之一，Cree公司的CMPA0060025F提供17 dB的小信号增益和高达25 W的饱和输出功率（图1）。单片微波集成电路（MMIC）可在高达50 V的电压下工作在20 MHz至6 GHz之间。放大器的功率附加效率优于20％，输入和输出端口内部匹配至50Ω。与硅或GaAs晶体管相比，MMIC采用0.5 x 0.5英寸螺旋封装，提供更高的功率密度和更宽的带宽。该公司还提供大量的GaN MMIC，可满足许多功率/带宽要求。

图1：使用Cree CMPA0060025F MMIC的演示功率放大器可提供高达25 W的功率，工作频率范围为20 MHz至6 GHz。

GaAs - 功率放大器的主流技术

许多公司也在使用InGaP/GaAs异质结双极晶体管为802.11b/g/n等无线网络应用提供多标准MMIC功率放大器。这种放大器的例子包括Microsemi的LX5518和LX5516。 LX5518放大器的工作频率范围为2.4至2.5 GHz，单个正电源电压为3至5 V，功率增益为30 dB。采用小型3 x 3 mm四方扁平封装，MMIC包含三级放大器架构以及有源偏置，片上输入匹配和输出预匹配，以简化系统实现（图2）。输出端口上的片上功率检测器有助于降低在典型无线系统中实现功率控制所需的系统成本和电路板空间。 LX5516采用略微简单的架构，采用两级放大器，片内有源偏置和输入和输出均为50欧姆阻抗匹配。它的功率增益略低于LX5518，3.3 V电源的有效电流约为130 mA。

图2：具有有源偏置网络的三级放大器，Microsemi的LX5518针对应用，例如使用IEEE802.11b/g/n标准的无线LAN。

针对蓝牙Class 1系统的类似功率放大器，加利福尼亚东部实验室（CEL）的μPG2314T5N专为低功耗运行而设计，采用3 V电源供电时，有效电流为65 mA。该放大器的功率附加效率接近50％，采用3 V电源时输出功率为+ 20 dBm。该放大器采用微型1.5 x 1.5 x 0.37 mm六触点塑料TSON（薄，小外形无引线）封装，占用的电路板空间极小，只需极少的外部元件。

采用InGaP/GaAs HBT工艺的还有Microchip公司通过收购Silicon Storage Technology提供的双频和单频放大器。例如，SST13LP05是双频功率放大器，工作在2.4-2.5 GHz或4.9-5.8 GHz频段，通常在较低频段提供29 dB增益，在高频段提供29至26 dB（图3） 。能够支持IEEE 802.11a/g/b，日本无线局域网，HyperLAN2，各种多媒体无线流媒体应用，家用射频和无绳电话等应用，该芯片只需很少的外部组件即可完成系统解决方案，仅占用4 x 4 mm板空间。该芯片可在较大的电源电压范围内提供稳定的RF和功率检测器性能，并具有低于2μA的极低关断电流。

针对802.11b/g/n无线局域网应用，SST12LP17E（图3）采用2 x 2 mm八触点表面贴装封装。该放大器采用Microchip的GaAs HBT工艺制造，在2.4至2.5 GHz频段内提供29 dB的增益，802.11g的功率输出效率为21.5 dBm，功率增加效率为28％， 802.11b的功率超出22.5 dBm。与‘LP17E相比，SST12LP08的性能略有提升，通常可提供30 dB的增益和34％的功率附加效率。但是，这仅针对支持802.11b/g版本的IEEE标准。

图3：Microchip的双频段SST12LP17E包含高频和低频功率放大器通道，尺寸为2 x 2 mm，8 - 接触表面贴装封装。

将关断电流推至1μA以下，SST12LP15A在2.4-2.5 GHz频段内提供32 dB的增益，802.11的功率输出效率约为26％，功率为24 dBm g，802.11b的功率输出为25 dBm，约为27％。 SST12LP14A将关断电流调整至不到LP15A的十分之一，小于0.1μA，同时将工作电流降低约三分之一。但是，它放弃了一些功率附加效率，对于802.11g的22 dBm输出降低到23％，而802.11b的输出功率降低25％到23 dBm。针对4.9至5.8 GHz的IEEE 802.11a频段，SST11LP12在功率输出电平为23 dBm时提供约17％的功率附加效率，数据速率为6 Mbits/s。该芯片提供低于2μA的关断电流，并具有约150 mA的空闲电流。

硅解决方案追赶

硅双极技术已经能够赶上最近被认为是GaAs技术专属领域的产品。例如，MAX2235采用Maxim Integrated Products的高性能双极性工艺制造，面向900 MHz频段，输出功率为32.5 dBm，电源电压为5 V，3.6 V时为30 dBm，时为29 dBm 2.7 V电源时为3 V和28 dBm。该PA的一些预期应用包括900 MHz ISM频段中的AMPS，双向寻呼或基于FSK的通信。该芯片具有37 dB范围内的可调增益，并具有功率控制引脚，可调节增益和偏置电平，即使在较低的输出功率水平下也能保持最佳效率。输出功率为+30 dBm时，效率通常为47％（图4）。当关闭控制引脚关闭PA时，电源电流降至1μA以下。

图4：Maxim的MAX2235提供37 dB范围内的可调增益控制，包括一个功率控制引脚，可调节增益和偏置电平，以保持最佳效率。

Maxim提供的另一款放大器是MAX2059，一款高线性度，数字控制，可变增益放大器，总增益范围高达56 dB，典型输出IP3和输出P1电平分别为31.8和18.4 dBm 。该芯片非常适用于单载波和多载波1，700至2，200 MHz DCS，1800 PCS，1900 EDGE，CDMA2000，WCDMA/UMTS和TD-SCDMA基站等应用。该芯片是一个高度集成的子系统，包含两个5位数字衰减器，一个两级驱动放大器，一个环回混频器和用于控制衰减器的串行接口。

针对手持系统的目标操作，CEL提供的硅MMIC UPC2771TB在900至1，500 MHz频段内提供21 dB的增益。该器件的饱和输出功率在900 MHz时为12.5 dBm，在1，500 MHz时为11 dBm。该芯片的典型空闲电流约为36 mA，但不包括关闭控制功能。

Avago Technologies还提供简单的硅双极达林顿放大器，适用于DC至2.5 GHz的工作频率。在900 MHz时，ADA-4643的增益为17 dB，3.5 V电源仅消耗35 mA。该芯片采用该公司的HP25硅双极工艺制造，该工艺采用具有自对准亚微米发射极几何结构的双扩散结构，从而实现高fT（25 GHz）和高NPN器件击穿（6 V BVCEO）。

NXP还提供各种双极硅基放大器，开发了诸如BGA6289和BGA6589等MMIC，宽带功率放大器，分别提供17和20 dBm的输出功率。内部增益模块采用电阻反馈达林顿配置的放大器，可以在4.1（BGA6289）或8 V（BGA6589）的典型电源电压下工作，同时分别消耗大约88或150 mA。