Reynaert 2016 Efficiency Enhancement Techniques for RF and MM-Wave Power Amplifiers 深度解析

P. Reynaert and B. Francois, “Efficiency Enhancement Techniques for RF and MM-Wave Power Amplifiers,” in Efficient Sensor Interfaces, Advanced Amplifiers and Low Power RF Systems, K.A.A. Makinwa et al. (eds.), Springer, 2016, Ch.16. DOI: 10.1007/978-3-319-21185-5_16

项目	内容
作者	P. Reynaert, B. Francois (KU Leuven, Belgium)
核心问题	效率-线性度权衡
现代挑战	高 PAPR 信号 (LTE/LTE-A/WLAN) 要求功率回退下的高效率
技术趋势	CMOS 数字处理能力使复杂效率增强技术可行

1. 传统放大器类别

1.1 导通角与效率

传统 A/B/AB/C 类以导通角 α 权衡效率与线性度：

类别	导通角 α	最大理论效率 η	特点
A	2π (360°)	50%	始终导通静态电流，线性最佳
AB	π ~ 2π	50% ~ 78.5%	权衡方案
B	π (180°)	π/4 ≈ 78.5%	静态电流为零，增益为 A 类一半
C	< π	→ 100% (α→0)	输出功率也趋于零，不可用于线性放大

关键公式：B 类相比 A 类，DC 功耗降低 π/2 倍，但需 2× 栅极电压摆幅 → 电压增益减半。

谐波内容：B 类偏置下所有奇次谐波为零，仅剩偶次谐波；C 类所有谐波都存在。

2. 阻抗变换与功率合成

2.1 LC 谐振匹配网络

效率公式：

$$\eta =\frac{P_{out}}{P_{in}}=\frac{1}{1+\frac{R_{sL}}{R_L}}=\frac{1}{1+\frac{Q_L}{Q_{ind}}}$$

变换比 r = R_load / R_in，损耗正比于 r。极低电源电压/高输出功率时 r 极大，LC 网络效率极低。

2.2 变压器匹配

片上变压器的效率与功率增强比 (PER) 无关，优于 LC 网络。

2.3 功率合成 (Power Combining)

Series Combining Transformer (SCT)：

• DAT (Distributed Active Transformer) [Aoki 2002]：共享同一初级绕组的 SCT，使用高 Q slab 电感构成 1:1 变压器。4-way DAT 将 4 个差分 PA 输出串联叠加。
• 图-8 形变压器：各 PA 驱动独立绕组，更灵活但效率略低。

功率回退：切换 PA 单元开关 → 改变负载阻抗（主动 load-pull）→ 提高功率回退时效率。

实测：90 nm CMOS, 4 路 B 类 PA + DAT 合成 → 1 W @ 2 V, 28.4% 漏极效率, 25.8% PAE, 28 dB 增益。LTE 信号 (PAPR = 6.92 dB): 25 dBm avg, 15% PAE。

3. 多 RF 路径 PA 架构

3.1 Doherty 放大器

基本原理 (W. Doherty, 1936)：主放大器 (PA_M) 在低功率时单独工作（高效率），辅助放大器 (PA_A) 在高功率时开启（主动 load-pull 推高负载阻抗）。

主动 Load-Pull 分析：

$$Z_{MT}=R_L\left(1+\frac{I_A}{I_{MT}}\right)$$ $$Z_A=R_L\left(1+\frac{I_{MT}}{I_A}\right)$$

λ/4 传输线完成阻抗变换，Z_T 为特征阻抗。

效率特性：双峰值 — 峰值功率 (100% 效率) 和 6 dB 回退 (78.5%)。

实际挑战：

• 辅助 PA 需 C 类偏置以在过渡点前关断
• 线性度较差（相比同尺寸 B 类，IM3 高 6 dB）
• λ/4 传输线不利于集成
• 两路 RF 信号的相位匹配

全集成 CMOS Doherty (40 nm, 2.4 GHz WLAN)：

• 26.3 dBm P_max, 33% PAE peak, 25.1% PAE @ 6dB back-off
• 效率优化偏置：55.5 mA
• WLAN 802.11g 54Mbps: 19.3 dBm avg, 22.9% PAE (无预失真)
• 开环 DPD 后: 20.2 dBm avg, 24.7% PAE

3.2 Outphasing / LINC

原理 (Chireix 1930, Cox 1974)：将可变包络信号分解为两个恒包络相位调制信号：

$$v_{in}(t)=V(t)\cos (\omega t+\varphi (t))$$ $$s_1(t)=V_{MAX}\cos (\omega t+\theta (t)),\theta (t)=\varphi (t)-\psi (t)$$ $$s_2(t)=V_{MAX}\cos (\omega t+\xi (t)),\xi (t)=\varphi (t)+\psi (t)$$ $$\psi (t)=\arccos \frac{V_{out}(t)}{V_{MAX}},V_{out}(t)=s_1(t)+s_2(t)$$

优点：

• 可使用高效率非线性 PA (Class D/E/F)
• 理论可达 100% 效率 (所有包络电平)
• 无需电源调制器

挑战：

• 增益/相位匹配：两路误差导致频谱再生

$$DR=20{\log }_{10}\frac{G_1+G_2}{G_1-G_2}$$

• 带宽扩展：s₁, s₂ 的相位变化幅度大，带宽比原始信号扩大 3–6×
• 合路器设计：隔离式 vs 无损耗式，输出阻抗相互影响

4. RF + 包络路径 PA 架构

4.1 Class G

多个电源电压供电，低功率时使用低电压电源 → 效率 2× 提升。多对有源器件对应不同电源。

4.2 Envelope Tracking (ET)

原理：根据包络信号 A_E(t) 动态调整 PA 电源电压 → 线性 PA 的 DC 电流始终与 RF 信号幅度匹配。

优点：与 B 类 PA 配合可获得近乎平坦的效率-输出功率曲线。

挑战：

• 电源调制器需高效率（线性 + 开关混合调制器需片外大电感）
• 开关调制器引入频谱再生和衬底噪声
• 集成 ET PA 通常需两个独立 die
• LTE-A (100 MHz 上行带宽) 目前无法支持

行业采用：Qualcomm 2013 年首次实现 LTE 兼容 ET PA，用于 Samsung Galaxy 3, Nexus 5 等高端手机。

4.3 Envelope Elimination and Restoration (EER / Kahn)

原理：限幅器消除包络 → 恒包络相位信号 → 高效率开关 PA → 包络信号通过电源调制恢复幅度。

与 ET 区别：EER 中 RF PA 仅放大相位调制载波（可用开关 PA），而 ET 中 RF PA 仍需要幅度线性度。

4.4 Polar Modulation

从 I/Q 直接生成幅度和相位信号，数字基带直接提供包络和相位：

$$y(t)=A_E(t)\cdot \cos \left(\omega t+\varphi (t)\right)$$

包络调制器实现：

• LDO 线性调制：宽带、电路简单、效率较低
• 开关型调制器 (buck/boost)：高效，但需大值 LC 滤波器 → 昂贵片外电感

主要缺点：AM/PM 分解对带宽扩展 3–6×，包络调制器带宽需求达 50–100 MHz。

4.5 数字极性调制与 Burst Mode

将低通滤波器搬到 PA 输出端（变为带通滤波器），数字信号控制开关 PA (Class D/S) 的脉冲：

• 低频频段的 PWM/ΣΔ 调制器 → 与 RF 相位调制载波相乘 → 突发 RF 信号
• 输出端带通滤波器恢复期望信号

优势：不需要包络路径和 RF 路径的对齐（不同于 ET/EER/极性调制）。

挑战：

• 带通滤波器要求低损耗且成本高
• 带外阻抗需足够高（否则耗散带外能量降低效率）
• 突发频率需足够高以将谐波推离期望频段
• 可用编码技术降低带外功率

5. 结论

• CMOS 的数字处理能力使复杂的效率增强技术成为可能
• 功率合成技术 (DAT) 解决了低电压下的功率输出挑战
• 各技术（Doherty, Outphasing, ET, Polar, Burst Mode）各有优缺点
• 未来的方向：灵活可重构的 RF PA，集成多种增强技术

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