AB类PA设计（一）：功率放大器核心指标的定义与架构选择

1.1 功率放大器核心指标定义

1.1.1 功率放大器概述

功率放大器（Power Amplifier, PA）用于在射频发射链中将调制信号的功率放大至天线所需电平，同时尽可能保持信号包络的线性度。

PA通常可根据导通角的不同分为C类、B类、AB类、A类。其中AB类PA介于A类（全导通、线性好、效率低）与B类（半导通、效率高、线性差）之间。通过设置AB类PA的静态偏置电流 I_Q 使导通角 \theta \in (180°, 360°) ，实现线性度与效率的折中。

AB类PA的典型应用场景如蜂窝基站、Wi-Fi射频前端、雷达发射模块等。

1.1.2 输出功率（Pout）、功率附加效率（PAE）、增益（Gain）

PA的核心大信号指标包括输出功率（Pout）、功率附加效率（PAE）和增益（Gain）。

• 输出功率 指的是负载上获得的射频信号功率，通常以 dBm 表示；
• 功率附加效率 指的是（工作频率下的）射频输出功率与输入功率之差，再除以直流输入功率（通常指的是电源V_{DD}提供直流功率），其表达式如下所示；

AB类PA的理论最大效率约为 78.5%（B类极限），实际工程中CMOS AB类PA的PAE通常在 30%–50%。

• 功率增益 输出功率与输入功率之比，其公式如下。

1.1.3 线性度指标

PA设计中，较为重要的线性度指标包括1dB压缩点、三阶交调点和误差向量幅度。

• 1dB压缩点（P1dB） 指的是当功率增益相对于小信号增益下降1dB时的功率，分为输入一分贝压缩点（IP1dB）和输出一分贝压缩点（OP1dB）。它标志着PA开始进入显著非线性区域；
• 三阶交调点（OIP3） 指的是基波输出功率与三阶交调产物功率的外推交点。三界交调产物通过输入两个等幅、频率间隔为 \Delta f 的信号 f_1, f_2以在输出端获得（ 产物的频率分别为2f_1 - f_2 和 2f_2 - f_1）。该指标的表达式如下所示；

其中 \Delta P_{IM3} 为基波与三阶产物的功率差。

• 误差向量幅度（EVM） 指的是实际调制信号的星座点与理想星座点之间的矢量误差的RMS值，通常以百分比或dB表示。其综合反映了AM-AM失真、AM-PM失真、相位噪声、I/Q不平衡等非理想因素。EVM的表达式如下所示。

1.2 功率放大器的架构选择与指标分配

1.2.1 单端架构与差分架构的对比与选择

单端架构：

• 优点：结构简单，器件数少，面积小。
• 缺点：
  • 偶次谐波大，需要额外的谐波滤波消除偶次谐波；
  • 信号与电源/地共享参考平面，隔离度较差；
  • 适用场景：低频段、低功率、面积受限的设计。

差分架构：

• 优点：
  • 偶次谐波与偶次交调产物在理想对称下自然抵消，相对于单端PA线性度有所提升；
  • 对共模噪声有天然抑制能力。
• 缺点：
  • 面积和功耗相对较大；
  • 对版图的对称性要求严格。

因此在毫米波频段，差分架构几乎是唯一选择，本教程展示的PA基于以上分析也选择差分结构。

1.2.2 驱动级（Driver Stage）与功率级（Power Stage）的增益与功率分配

多级PA的增益满足总增益 = 驱动级增益 （dB）+ 功率级增益（dB）。在实际实现中，我们通常让驱动级工作在小信号或中等功率区域，同时让其有充足的增益，使之提供足够的电压摆幅驱动功率管；功率级则工作在大信号区域，设计时应注重Pout、PAE和线性度的综合优化。

在设计时，驱动级的OP1dB应比功率级的IP1dB高至少3–6 dB，确保驱动级不会先于功率级进入压缩。

驱动级与功率级的级间匹配网络的损耗直接影响整体PAE，由于驱动级一般工作在小信号或者中等功率区域，在实际设计中二者之间通常进行共轭匹配。

1.3 教程PA的计指标确定

本教程将基于CMOS工艺演示一款工作在5G NR n257/n258频段的两级AB类PA，根据上述理论，性能指标确定如下：