功率放大器（PA，Power Amplifier）作为通信系统中的重要组成模块，主要负责对射频信号进行放大并实现功率输出。其性能和可靠性对整个发射系统有着至关重要的影响。在手机通信系统中，PA 输出信号功率约为 29 - 32dBm（约 1000mW），相比 Transceiver 芯片约 0dBm（1mW）的功率输出，PA 的输出功率大了 1000 倍。同时，为了达到相应的射频功率输出，PA 通常需要消耗约 1900 - 4000mW 的直流功耗。如此高的功率和功耗应用，对 PA 的可靠性提出了巨大挑战，“烧 PA” 也成为工程师们讨论的热点话题。
图 1：典型手机通信系统链路
- 手机 PA 芯片中的半导体器件
PA 设计常用的半导体工艺包括 GaAs HBT、GaAs pHEMT、SOI CMOS、Bulk CMOS（体硅 CMOS）。其中，GaAs HBT 因其功率密度大且成本相对较低（相较于 GaAs pHEMT），成为射频功率放大器功率输出级的工艺。HBT 器件有三个极限参数，分别是集电极允许电流 Icmax、集电极允许热耗散功率以及集电极 - 发射极反向击穿电压 BVCEO。在实际工作中，必须保证器件的工作电流、耗散功率和电压都在额定范围内。 - PA 的电压 / 电流摆幅
对于射频 PA 的 HBT 器件，输出晶体管的集电极存在电压及电流摆幅。为了更好地表征电压与电流之间的关系，通常采用 Loadline（负载线）的方式，将电压与电流绘制在同一幅图中。晶体管的负载线反映了在不同负载下，晶体管电压与电流间的相互关系，一般画在 DC - IV 曲线上。负载线的斜率反映了负载阻抗的大小；实际电路中，由于负载虚部的存在，会形成电压 / 电流相位差，可能使负载线表现为中空的环形；直流工作点的选择（电压及电流），对负载线的摆幅也有影响。
图 2：一款 PA 的典型的动态负载线
在 PA 工作时，高电源电压和高 VSWR（电压驻波比）会使 PA 输出电压、电流摆幅增大。例如，在大电压及 VSWR 下，PA 需要承受更大的电压及电流摆幅。当电压及电流摆幅超过器件的耐受值时，就会导致器件烧毁。
图 3：不同电压及 VSWR 下，PA 动态负载线的变化
- 设计保障
- 电流设计保障：需要合理设计器件的尺寸，确保在各种条件下，器件所通过的电流小于其耐受电流。在 PA 末级，通常会并联多个晶体管器件，必须保证电流能够均匀分布在整个器件中，避免所有电流集中于某一个器件而将其烧毁。由于 HBT 器件开启电压随温度升高而降低，过大的电流会降低开启电压，进而使电流进一步增大，直到器件烧毁，这种效应被称为 Thermal Run - away，是电流烧毁中常见的形式。为了防止 Thermal Run - away 的发生，需要在晶体管的 Base 端或者 Emitter 端加入 Ballast 电阻。Ballast 电阻的存在，使得电流变大时，Vbe 电压会减小，从而防止电流的进一步增大。
图 4：PA 的热分布不均（左），及 Ballast 电阻的设计 - 电压设计保障：对于电压防护，一般采用在末级晶体管 Collector 并联放置二极管串的方式进行稳压，使输出摆幅稳定在二极管串的开启电压。在电压防护电路设计中，要保证防护电路放置位置的对称性，确保所有器件的电压摆幅都能得到保护。
- Ruggedness 测试
由于 PA 可靠性难以通过仿真准确设计，PA 设计完成后，必须通过完整的 Ruggedness 测试来确保其可靠性。完整的 Ruggedness 测试环境涵盖多种测试条件，这些测试项需要交叉组合，以确保在任意条件下，PA 均不会出现 Ruggedness 问题。由于半导体器件的击穿电压 BVCEO 随温度降低而降低，PA 增益随温度降低而升高，一般 Ruggedness 恶劣的情况发生在低温。所以，通常在低温、输入功率、电压、 VSWR 的条件下，PA 的 Ruggedness 差。
图 5：Ruggedness 测试环境 - 应用保障
- 适当控制电源电压：由图 3 可知，PA 在低电压应用时，电压及电流摆幅较小，其 Ruggedness 能得到较好的保障。因此，在应用中应适当控制电源电压，尽可能使用较低的电源电压，有助于提升器件的 Ruggedness。
- 适当控制输出功率：大功率输出时，PA 输出的电压电流摆幅会更大。在应用允许的范围内，适当控制输出功率，有助于提升 Ruggedness。
- 注意电源完整性及信号时序：手机是一个复杂的系统，涉及多个模块之间的联动。在应用中，需要着重注意电源完整性（是否有过高的电压脉冲）、偏置控制信号的时序、输入信号的大小及时序，以确保 PA 工作在正常状态。
