对抗打压，华为已开始自行设计PA！什么是PA芯片？一文了解RF PA

美国为打压华为，不断向半导体厂商下达禁售令。据报道，很多美国半导体厂商最近都纷纷下调营收逾期，最近，工商时报(台)报道中称资深半导体产业分析师陆行之在脸书上说，Lumentum、Qorvo、Inphi、ADI因华为禁售案陆续下修第二季营收预期达5％-8％，Skyworks也宣布下修8％的营收预期到7.55-7.75亿美元，Skyworks公布过去六个月，华为占其营收12％。

要知道Skyworks可是射频功放PA芯片的主要供应商，报道中指出

此前，华为海思领导人曾宣布，海思设计的备胎芯片全部转正，或许，PA也在其列，要知道，PA芯片可是5G通信前端模块的核心芯片呢，这也不难理解为什么华为在这一方面早就有所准备了吧，下面就随21ic的小编来一起学习下这个5G通信中的关键产品吧。

PA是Power Amplifier的简称,中文名称为功率放大器,简称“功放”,指在给定失真率条件下,能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。

对于射频通信系统，PA负责发射通道的信号放大，没有PA，信号覆盖就会成为很大的问题，所以，PA很重要。

射频PA的主要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率是射频功率放大器设计目标的核心。作为一个射频芯片，PA不但对工艺有需求，同时其设计团队的技术能力、经验积累和专利支撑都非常重要，尤其是工程师的经验和和Know-How，更是重中之重。再者，随着5G的到来，PA需要满足的性能参数众多，因此不可避免需要研发时间的积累，对于后来入局者具有一定障碍。尤其是工艺方面，更是很多PA厂商，甚至是射频厂商难以逾越的门槛。

这也是为什么PA先进技术仍把持在国外厂商手中的原因吧，我们起步太晚了啊！

二、射频功率放大器RF PA的功能

射频功率放大器RFPA是发射系统中的主要部分，其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。功率放大器往往是固定设备或终端的最昂贵、最耗电、效率最低的器件。

在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由RFPA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。

放大器的功能，即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说，它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平，并向外界“输出”。这一“提升的贡献”，即为放大器存在的“意义”所在。如果放大器能够有好的性能，那么它就可以贡献更多，这才体现出它自身的“价值”。如果放大器的初始“机制设计”存在着一定的问题，那么在开始工作或者工作了一段时间之后，不但不能再提供任何“贡献”，反而有可能出现一些不期然的“震荡”，这种“震荡”，对于外界还是放大器自身，都是灾难性的。

三、射频功率放大器RFPA的分类

根据工作状态的不同，功率放大器分类如下：

射频功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲 （A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类， 但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

除了以上几种按照电流导通角分类的工作状态外，还有使电子器件工作于开关状态的丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。

四、射频功率放大器RF PA的性能指标

射频功率放大器RF PA的主要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。总体来说，放大器的评判大概存在着如下指标：

-增益 。这是输入和输出之间比值，代表着放大器的贡献。好的放大器，都是在其“自身能力的范围内”，尽可能多的贡献出“产出”。

-工作频率 。这代表着放大器对不同频率信号的承载能力。

-工作带宽 。这决定着放大器能够在多大范围内产生“贡献”。对于一个窄带放大器来说，其自身设计即便没有问题，但是其贡献可能是有限的。

-稳定性 。每一个晶体管都存在着潜在的“不稳定区域”。放大器的“设计”需要消除这些潜在的不稳定。放大器的稳定性包括两种，潜在不稳定和绝对稳定。前者可能在特定条件和环境下出现不稳定现象，后者则能够保证在任何情况下保持稳定。稳定性问题之所以重要，是因为不稳定意味着“震荡”，这时放大器不但影响自身，还会将不稳定因素输出。

-最大输出功率 。这个指标决定着放大器的“容量”。对于“大的系统”来说，希望他们在牺牲一定的增益的情况下能够输出更大的功率。

-效率 。放大器都要消耗一定“能量”，还实现一定的“贡献”。其贡献与消耗之比，即为放大器的效率。能够贡献更多消耗更少，就是好的放大器。

-线性 。线性所表征的是放大器对于大量输入进行正确的反应。线性的恶化表示放大器在过量的输入的状态下将输入“畸变”或“扭曲”。好的放大器不应该表现出这种“畸形”的性质。

五、射频功率放大器RF PA的电路组成

放大器有不同类型，简化之，放大器的电路可以由以下几个部分组成：晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。

1、晶体管

晶体管有很多种，包括当前还有多种结构的晶体管被发明出来。本质上，晶体管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源，其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得，晶体管加以消耗，并转化成有用的成分。一个晶体管，我们可以视之为“一个单位”。不同的晶体管不同的“能力”，例如其承受功率的能力有区别，这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致；例如其反应速度不同，这决定它能工作在多宽多高的频带上；例如其面向输入、输出端的阻抗不同，及对外的反应能力不同，这决定了给它匹配的难易程度。

2、偏置及稳定电路

偏置和稳定电路是两种不同的电路，但因为他们往往很难区分，且设计目标趋同，所以可以放在一起讨论。

晶体管的工作需要在一定的偏置条件下，我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的根本，是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位，其定位不同将决定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在着不同的性能表现。有写定位点上起伏较小，适合于小信号工作；有些定位点上起伏较大，适合于大功率输出；有些定位点上索取较少，释放纯粹，适合于低噪声工作；有些定位点，晶体管总是在饱和和截至之间徘徊，处于开关状态。一个恰当的偏置点，是正常工作的础。

稳定电路一定要在匹配电路之前，因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在，再与外界接触。在外界看来，加上稳定电路的晶体管，是一个“全新的”晶体管。它做出一定的“牺牲”，获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶体管顺利而稳定的运转。

3、输入输出匹配电路

匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说，其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口，不同的晶体管之间沟通更加顺畅，对于不同种的放大器类型来说，匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅的小型管，更愿意在接受的时候做一定的阻挡，来获取更好的噪声性能，然而不能阻挡过了头，否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管，则需要在输出时谨小慎微，因为他们更不稳定，同时，一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。

六、射频功率放大器RF PA稳定的实现方式

每一个晶体管都是潜在不稳定的。好的稳定电路能够和晶体管融合在一起，形成一种“可持续工作”的模式。稳定电路的实现方式可划分为两种：窄带的和宽带的。

窄带的稳定电路是进行一定的增益消耗。这种稳定电路是通过增加一定的消耗电路和选择性电路实现的。这种电路使得晶体管只能在很小的一个频率范围内贡献。另外一种宽带的稳定是引入负反馈。这种电路可以在一个很宽的范围内工作。

不稳定的根源是正反馈，窄带稳定思路是遏制一部分正反馈，当然，这也同时抑制了贡献。而负反馈做得好，还有产生很多额外的令人欣喜的优点。比如，负反馈可能会使晶体管免于匹配，既不需要匹配就可以与外界很好的接洽了。另外，负反馈的引入会提升晶体管的线性性能。

七、射频功率放大器RF PA的效率提升技术

晶体管的效率都有一个理论上的极限。这个极限随偏置点（静态工作点）的选择不同而不同。另外，外围电路设计得不好，也会大大降低其效率。目前工程师们对于效率提升的办法不多。这里仅讲两种：包络跟踪技术与Doherty技术。

包络跟踪技术的实质是：将输入分离为两种：相位和包络，再由不同的放大电路来分别放大。这样，两个放大器之间可以专注的负责其各自的部分，二者配合可以达到更高的效率利用的目标。

Doherty技术的实质是：采用两只同类的晶体管，在小输入时仅一个工作，且工作在高效状态。如果输入增大，则两个晶体管同时工作。这种方法实现的基础是二只晶体管要配合默契。一种晶体管的工作状态会直接的决定了另一支的工作效率。

八、RF PA面临的测试挑战

功率放大器是无线通信系统中非常重要的组件，但他们本身是非线性的，因而会导致频谱增生现象而干扰到邻近通道，而且可能违反法令强制规定的带外（out-of-band）放射标准。这个特性甚至会造成带内失真，使得通信系统的误码率（BER）增加、数据传输速率降低。

在峰值平均功率比（PAPR）下，新的OFDM传输格式会有更多偶发的峰值功率，使得PA不易被分割。这将降低频谱屏蔽相符性，并扩大整个波形的EVM及增加BER。为了解决这个问题，设计工程师通常会刻意降低PA的操作功率。很可惜的，这是非常没有效率的方法，因为PA降低10%的操作功率，会损失掉90%的DC功率。

现今大部分的RF PA皆支持多种模式、频率范围及调制模式，使得测试项目变得更多。数以千计的测试项目已不稀奇。波峰因子消减（CFR）、数字预失真（DPD）及包络跟踪（ET）等新技术的运用，有助于将PA效能及功率效率优化，但这些技术只会使得测试更加复杂，而且大幅延长设计及测试时间。增加RF PA的带宽，将导致DPD测量所需的带宽增加5倍（可能超过1 GHz），造成测试复杂性进一步升高。

依趋势来看，为了增加效率，RF PA组件及前端模块（FEM）将更紧密整合，而单一FEM则将支持更广泛的频段及调制模式。将包络跟踪电源供应器或调制器整合入FEM，可有效地减少移动设备内部的整体空间需求。为了支持更大的操作频率范围而大量增加滤波器/双工器插槽，会使得移动设备的复杂度和测试项目的数量节节攀升。

我们纵观上面的射频器件供应商，几乎所有都是IDM厂商。拥有自己的晶圆厂是他们能够领先市场的关键。

九、功率放大器的工艺

据了解，目前射频PA采用的工艺分别是GaAs，SOI，CMOS和SiGe。其中4G PA主要采用GaAs工艺；3G PA 采用GaAs或者CMOS，出货大约各50%；2G PA主要是CMOS；5G手机PA采用GaAs工艺；NB-IoT PA采用CMOS和SOI是趋势，现在还是GaAs为主，个别厂商采用SiGe。SiGe工艺几乎能够与硅半导体超大规模集成电路(VLSI)行业中的所有新工艺技术兼容，是未来的趋势。

十、功率放大器发展趋势

英国研究公司Technavio 称，全球功率放大器市场主要有三个四发展趋势：晶圆尺寸增大；初创企业采用CMOS 技术；国防领域的高速放大器需求逐渐增大：利用InGaP 工艺，实现功率放大器的低功耗和高效率。

晶圆尺寸变大 。半导体行业见证了过去40 年晶圆尺寸的变化，砷化镓（GaAs）晶圆尺寸从50mm 增大到150mm，制造成本降低了20%～25%。目前，业界制造功率放大器通常采用150mm晶圆。预测150mm 晶圆还将继续使用，因为台湾的稳懋半导体公司等制造商还在大力投资升级和新建150mm 工厂。业内正在开发200mm 晶圆技术，预计2018 年底能够试生产。斯坦福大学研究人员正在研究降低200mm GaAs 晶圆的价格，使其可以以较低的价格与硅晶圆争夺市场。同时这也对掩膜版检测设备登晶圆制造设备提出需求。

初创公司采用CMOS技术 。一些初创企业，如Acco Semiconductor ， 正越来越多的采用CMOS 技术。Acco Semiconductor 抓住移动手机和物联网产品对射频功率放大器巨大需求的机会，已经投资350 亿美元扩展其基于CMOS 的射频功率放大器业务。目前绝大多数功率放大器采用锗硅（SiGe）或GaAs 技术，而非CMOS。但根据报告可知，基于CMOS 工艺有助于实现低成本、高性能的功率放大器。

国防领域需要高速放大器 。军事领域需要更高效的利用频谱，更多的使用移动设备来通信。因此，Technavio 公司称，军事领域要求高速功率放大器。美国国防先期研究计划局（DARPA）在太赫兹电子项目中已取得进展，即美国诺·格公司开发了出固态功率放大器和行波管放大器，这是仅有的两款太赫兹频率产品。太赫兹频段的功率放大器可用于许多领域，包括高分辨率安全成像、高数据速率通信、防撞雷达、远距离危险化学品和爆炸物探测系统等，这些设备的高速率运行要求必须使用高速放大器。

利用InGaP 工艺 ，实现功率放大器的低功耗和高效率。InGaP 特别适合要求相当高功率输出的高频应用。InGaP 工艺的改进让产量得到了提高，并带来了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。这样既简化了系统设计，降低了原材料成本，也节省了板空间。有些InGaP PA 也采用包含了CMOS 控制电路的多芯片封装。如今，在接收端集成了PA 和低噪音放大器(LNA)并结合了RF 开关的前端WLAN 模块已经可以采用精简型封装。例如，ANADIGICS 公司提出的InGaP-Plus 工艺可以在同一个InGaP 芯片上集成双极晶体管和场效应晶体管。这一技术正被用于尺寸和PAE(功率增加效率)有所改进的新型CDMA 和WCDMA 功率放大器。

（21ic整理，编辑：王丽英）

基于自主创新架构，「猎芯半导体」推出全球最小5G物联网射频PA芯片

图 | Pixabay@Tumisu

随着移动通信技术的不断发展和完善，物联网时代已经到来，万物互联成为一种常态。根据此前Gartner和Machina Research统计数据， 2010-2018年全球物联网设备连接数由20亿个增长至91亿个，复合增长率高达20.9%，预计2025年全球物联网设备（包括蜂窝及非蜂窝）联网数量将达到252亿个，市场前景巨大。

随着4G通信制式的成熟以及5G基础设施的不断建设，全球各大移动通信运营商均在加速2G和3G退网，腾退出频谱资源用于日益增加的物联网设备海量链接数据需求。4G Cat.1由于其成本以及网络覆盖稳定性方面的巨大优势，在物联网市场的应用逐渐爆发，成为物联网市场最看好的通信方案之一。未来物联网市场将呈现出4G Cat.1、5G、NB-IoT共存和互补的局面，而4G Cat.1最有潜力成为物联网海量链接长期的主力方案。

近期，36氪关注到一家射频前端芯片研发商——上海猎芯半导体科技有限公司（以下简称「猎芯半导体」）。公司成立于2018年，主要从事高性能射频前端PA芯片设计研发及量产，截至目前拥有30多项创新产品技术专利，其中发明专利占1/3。

芯片是通信模组产业链中价值最高的一部分。以2019年典型的4G移动通信通用模块为例，射频、基带和存储三大芯片成本占总体物料成本的80%，其中射频芯片占比28%。当前物联网市场虽然对于5G寄予厚望，但是现阶段制约5G在物联网领域快速推广的最大因素是芯片成本。另一方面，物联网设备的小型化是必然趋势，对于芯片的尺寸也提出了新的更高要求。

针对上述情况，「猎芯半导体」于2020年9月正式推出了全球尺寸最小的高功率OC568x系列5G射频PA芯片，据团队介绍，总面积和物料成本仅为国际行业领先者标杆产品的一半。

OC568x支持广电的5G n28（700MHz）频段，并且兼容主流4G/LTE多模多频等技术要求。n28频段被业界称为“黄金频段”，相比其他5G频段具备更强的传播能力，能够覆盖更广的范围，建站成本非常低（仅为其他三大运营商建设成本的1/10不到），是实现全国级5G覆盖的最佳选择。广电目前已经与移动达成共享共建合作，正在加速网络建设，未来n28频段会成为物联网终端必须支持的频段之一，也是最有可能在物联网应用领域抢先实现大规模商业落地的5G频段之一。

据公司介绍，面积和成本的显著降低主要是由于产品采用了全新的技术架构，这是基于研发团队自身深厚研发实力以及超过20多年积累经验的创新。

公司核心技术团队成员多来自于Skyworks（美国思佳讯）、华为海思（美国）、紫光展锐等行业头部厂商，在研发过程中摆脱了传统架构，对其进行了全面的创新，在面积和成本减半的基础上仍然实现优越的性能——在3.4V供电电压环境，对应典型全球3GPP标准要求的5G NR调制信号（CP-OFDM-QPSK，Outer_Full MPR3），可以支持高达26dBm（ACLR-37dBc）的线性输出功率，同时总耗电低于340mA。目前团队正与多家行业头部客户对接，进行产品导入和量产。

据团队介绍，公司的4G、5G产品线均应用了该创新架构。全新架构除了使产品具有面积、成本两方面的巨大优势，还为公司建立了较高的技术护城河，据业内研发周期估算，竞争对手至少需要2年以上的时间才能追赶上。

此外，由于避开对国外行业巨头芯片传统架构的模仿，团队能够有效规避未来大规模量产时可能面临的专利风险。猎芯团队表示，其实芯片做小并不容易：“如果核心技术研发团队实力积累不够，经常会导致花费巨额的流片费用和大量时间精力以后，产品性能仍然无法达标。能跟国外大厂模仿的差不多就已经很不容易了，想创新更难。”

量产方面，据公司CEO赵卫军介绍，此次推出的5G芯片已经做好了芯片量产的准备，预计明年上半年将实现量产出货。此前公司推出的4G PA产品已经获得了较多知名企业的认可，2020年上半年累计出货超过100万颗。公司采用Fabless模式，相应的代工厂均选择国内外顶尖供应商，希望通过高质量的供应链和制造工艺，为芯片的稳定性和一致性提供保障，以此打造高品质芯片品牌，这也被赵卫军认为是公司未来长远发展的关键命脉。目前该芯片通过了双85等多项严格的工业可靠性要求测试。

市场选择方面，据介绍，在设计初期，公司团队将产品应用领域锁定在物联网，以其作为早期的市场突破点。一方面是看好该市场的潜力，另一方面是公司的产品优势与物联网终端元器件的性能要求相符合，设计上除了减少面积、成本，该芯片还额外加入创新电路设计，支持低电压、高低温环境，提高各类物联网终端的待机时间，也使得设备能够在恶劣环境中正常运作。

团队方面，据介绍，目前公司人数在25人以上，研发团队占70%以上。核心团队成员来自美国Skyworks、美国华为海思等行业领导企业，有着十多年丰富的设计和市场经验，曾主导Sky Phase 2/3/6和首代SkyOne（PA+滤波器集成方案）等主流射频前端芯片项目的全流程研发。

据工信部数据，2020年我国物联网产业规模预计将达到1.5万亿元，民生证券曾估计相关芯片、模块以及终端价值量占比将达30%，即4,500亿元，而其中通信芯片和模块贡献估计为8%-10%，2020年市场空间预计为360亿元-450亿元。

相关问答

pa芯片原理?

PA芯片,即功率放大器芯片,是一种电子器件,主要用于放大电信号的功率。它通常用于无线通信系统、音频设备以及其他需要放大信号功率的场合。PA芯片的工作原理主...

pa芯片和麒麟芯片的区别?

PA芯片和麒麟芯片是两种不同的芯片架构。PA芯片是由美国高通公司开发的,主要用于移动通信领域,具有高性能和低功耗的特点。麒麟芯片是由华为公司自主研发的,主...

pa15是什么意思?

"pa15"可能是指一种微处理器芯片,例如意法半导体(STMicroelectronics)公司的产品。在STMicroelectronics的芯片规格书中,PA15代...

诸位老表!哪位了解:佛山有技术优势的PA芯片，PA芯片性能好吗??

[回答]纯国产芯片,全部拥有自主知识产权公司射频产品能完全替代Skyworks、Avago、Rfmd、Qorvo、ADI等进口芯片产品,性价比高,交期快我们坚持以客户为中心...

哪位了解，稳定的s波段雷达PA芯片原理及参数，s波段雷达PA芯...

[回答]更是给力以优良的设计方案为持续追求的目标,以一丝不苟的工作态度,设计出让客户满意的方案。压控...压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关...

芯片怎么看引脚是输入还是输出-ZOL问答

PA----输出PB----输入PC0-2----输出接地PC3----输入可能是负反馈之类高电...没有确切的方式,有的情况下必须高有的必须低,不具体到芯片型号的话很难说。...

pa2032a功放芯片怎么样?

PA2032A还可以的。是一款数字输入2x15W音频功放,采用数字输入和PWM技术,内置过载保护、短路保护和温度保护等功能,适合于需要高保真音质输出的应用场合。pa20...

什么情况下PA(功率放大器)会烧掉?

有可能会烧掉,通常功放会烧掉的情况有以下几种:1.元件的品质出现异常或自然损坏再好的元件也有其使用寿命及故障率.2.安装使用不当:如喇叭(或音箱)阻抗低...

stpa008功放芯片说明?

stpa008功放芯片的说明如下:意法半导体stpa008四通道桥接功率放大器,是一款突破性AB级音频功率放大器,用于大功率汽车无线电应用。完全互补的P沟道/N沟...

stpa003功放芯片如何?

你好,STPA003功放芯片是一款高性能的音频功放芯片,具有低失真、高输出功率、高效率、低噪声等特点。它适用于汽车音响、家庭影音设备、专业音频设备等领域。...