隨著手機系統自GSM、GPRS至3G、3.5G或UMTS一路發展，現今的手機系統也須提供更複雜的多頻、多模的技術支援。近年來以IT為平台的無線通訊技術也不斷推陳出新，冀望帶給人們更多的便利，造成藍牙、無線區域網路等無線通訊產品需求快速成長。由於個人通訊、聯網的習慣改變，進一步加速異質網路的互聯應用與平台整合。
現今的無線通訊產品除了講求體積輕薄短小之外，功能上的需求卻日益增強，未來產品設計與應用的重點，將步向整合多頻、多模及不同之通訊標準，而電路設計將愈趨複雜化、須包含的元件也愈多，但產品體積的要求卻愈來愈小，因而早期On Board的設計模式將無法符合此一發展趨勢。整合將成為未來產品及零組件發展大道。而在此整合趨勢下，手機無疑是一個最佳的多模整合平台。
在各種無線通訊產品中，不論是系統的家用無線電話、無線區域網路(WLAN)、個人無線通訊系統、行動衛星通訊系統、藍牙(Bluetooth)及新一代熱門無線技術全球微波存取互通介面(WiMAX)等，射頻功率放大器(PA)在整個無線通訊系統中都是非常重要的關鍵性元件。而原因正是放大器輸出功率，決定了通訊距離的長短、放大器效率影響電池的消秏程度及使用時間。
多模工作挑戰放大器技術
而在多模工作的整合趨勢之下，也對PA提出了全新的挑戰，因為不同模式對PA的功率和線性度有不同要求。例如，目前用於EDGE的PA要求高功率、一般線性度，用於WCDMA卻要求一般功率和高線性度。如果考量PA的線性度與效率之關係，兩者常無法兼顧。
一般而言，較常用於個人通訊產品的PA可區分為三類，其導通角與效率比較如圖1。
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| 圖1 三種不同類型PA之導通角及效率比較 |
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其為所有放大器中最基本的一種，它的線性度也是所有放大器中最高的，其導通角為360度，屬於全週期導通。然而，隨A類放大器具有良好的線性度，其效率卻非常低，在理想狀態下效率僅達50%，在實際電路中更在30%以下。
對於效率較低的缺點，可用各種諧波終端(Harmonic Termination)的電路設計技巧予以改進，雖然仍無法與高效率的功率放大器相比，但也有不小的幫助，對許多需要高線性度的系統來說，A類放大器仍是較好的選擇。 |
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其導通角為180度，屬於半週期導通，以異質接面雙極電晶體(HBT)為例，由於Vbe偏壓在VT，所以當沒有輸入訊號時，電路中僅有微小偏壓電流流動，故效率在理想狀態下可達到78%，但在實際電路中所能達到的效率不會超過60%。 |
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此類放大器的特性介於A類與B類放大器間，其Vbe偏壓點均偏壓在VT之上，若能選擇適當的偏壓點即可同時得到良好的線性度和效率，一般來說其效率介於30～60%之間，為目前業界最常採用的類型。 |
二極體線性器有助PA線性度
針對PA線性度特性的研究，通常可以利用反向迴授方法(Feedback)、順向迴授技術(Feedforward)以及搭配數位訊號處理(DSP)的預先失真補償等技術來提升線性度。但是這些方法通常會占用到額外的電路面積以及電源消耗，或是由於電路複雜，所以積體化難度較高。
所以為了使功率放大器能改善其線性度，又希望電路不至於過度複雜，二極體線性器即為業界常見的解決方案之一。將電晶體基極與射極利用電阻串連起來，形成基-集極接面二極體來當做線性器，此一方式可以扮演預先失真器的功能，而達到提升功率放大器的線性度(圖2)。
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| 圖2 二極體線性器電路示意圖 |
使用上述之二極體線性器，可以有效補償當功率級在輸入功率增加時，負週期之振幅失真(AM-AM Distortion)及相位失真(AM-PM Distortion)，以改善電路的線性度以及功率附加效率(PAE)。
但上述作法有時無法解決PA在不同工作溫度下之線性度劣化的現象，藉由業界創新的DTF-Biasing技術，此一現象已可獲得大幅改善。圖3與圖4為採用此一技術對高低溫變化之改善比較。
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| 圖3 採用BTF-Biasing技術對高溫環境下線性度的改善狀況 |
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| 圖4 採用BTF-Biasing技術對低溫環境下線性度的改善狀況 |
多模應用環境為功耗新瓶頸
在現今多模應用的通訊產品中，功率放大特別具有挑戰性。由於目前PA的價格相對便宜，如果要使產品保持小型化、電池壽命長，使用獨立優化的PA似乎是最佳方案。但如果使用多個PA，成本和尺寸也是必須考慮的問題。因此最佳的途徑是採用高整合度、高效率的解決方案，以支援各相關的通訊標準。
為了有效支援各個頻段的功率放大，以及降低空間需求，目前業界常見的作法為，將多晶片整合至單一封裝中，以解決系統廠商的問題。但是此種作法卻會進一步造成成本上揚，同時無法真正解決客戶對於功耗降低的期望。部分業者透過製程技術的進步，在降低功耗部分已經取得重大的突破。此種設計乃透過在同一晶片上製作GaAs雙載子和場效電晶體(FET)結構的技術，因而獲得比其他製程更高的整合度和性能。
有別於製程改進的方式，部分業者致力於以電路方式面對此嚴峻的挑戰。其根本的原理乃是由Doherty PA的架構出發，將峰值放大器(Peaking Amplifier)及載波放大器(Carrier Amplifier)依據所欲對應之標準分別進行效率最佳化，以滿足在不同模式下對功耗的要求。依據此一設計的性能比較如圖5。
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| 圖5 PA在不同back-off的功率輸出條件下，其PAE改善狀態 |
對於目前變化快速的通訊產業而言，要滿足未來的技術要求並非易事。但藉由產業鏈中相關廠商的努力，要提供更高性能的技術解決方案也有不錯的進展。相信在不久的將來，PA製造商將能提供一系列針對此需求的產品，大幅簡化系統設計者的任務。
(本文作者為朗弗科技研發部經理)