如何才能不烧射频PA呢？
pa（power amplifier，功率放大器）是通信系统的重要组成模块，负责将射频信号的放大与功率输出。pa的性能及可靠性对整个发射系统有重要的影响。
在手机通信系统中，pa的输出信号约为29~32 dbm (约1,000 mw)的大功率，对比收发机芯片0dbm (1mw)左右的功率输出 ，pa输出功率大1000倍。
图1：典型手机通信系统链路
高功率、高功耗的应用也对pa可靠性提出挑战。在系统应用中，“烧pa”是工程师讨论中的热点话题。
pa设计常用的半导体工艺为gaas hbt、gaas phemt、soi 、bulk cmos（体硅cmos）。其中，gaas hbt因为其功率密度大，成本低（相较于gaas phemt），成为射频功率放大器功率输出级的首选工艺。
hbt器件有三个极限参数，分别为：
集电极最大允许电流icmax~~集电极最大允许热耗散功率集电极-发射极反向击穿电压bvceo在实际工作中，需要保证器件的最大工作电流、耗散功率、最大电压，在额定范围内。
对于射频pa的hbt器件，输出晶体管的集电极有最大电压及电流摆幅。此点电压与电流之间的摆幅随时间变化，为了更好的表征电压与电流之间的关系，通常用loadline（负载线）的方式，将电压与电流画在同一幅图中，如图2所示。
图2：一款pa的典型的动态负载线
晶体管的负载线反应了在不同的负载下，晶体管电压与电流间的相互关系，一般画在dc-iv曲线上。在负载线中：
负载线的斜率反应了负载阻抗的大小。实际电路中，由于负载虚部的存在，会形成电压/电流相位差，可能使得负载线表现为中空的环形。直流工作点的选择（电压及电流），对负载线的摆幅有影响。在pa工作中，由于高电源电压、高vswr的存在，会让pa输出电压、电流摆幅增大。图3为一个典型的功率放大器，分别是在3.2v及5v偏置电压下，50ω及vswr=10:1下的动态负载线 [2]。可以看到，在大电压及vswr下，pa将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，就会造成器件烧毁。
图3：不同电压及vswr下，pa动态负载线的变化
pa需要合理设计，确保满足ruggedness需求。
电流设计保障
需要合理设计器件的尺寸，确保在各个条件下，器件所通过的最大电流，小于器件的最大耐受电流。
在对通流的设计中，需要着重注意的是，pa末级并联了多个晶体管器件，需要保证电流均分在整个器件中，而不是所有电流集中于某一个器件，将器件烧毁。
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，同时使电流进一步增大，直到器件烧毁。这种效应叫做thermal run-away，是电流烧毁中一种常见形式。
为了防止thermal run-way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，使得电流变大的过程中，vbe电压会减小，防止电流的进一步增大[3]。
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，使得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需要注意，一定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得到保护。
电路设计保障
为了保护射频pa工作再合理的工作范围，设计公司还会对pa加入过压保护（ovp）、过流保护（ocp）、过驱动保护（odp）等保护电路。在电压、电流及输入信号超过额定范围后，对以上参数进行钳位保护。
由于pa可靠性难以靠仿真来准确设计，pa设计完成后，必须通过完整的ruggedness测试，来确保pa的可靠性。
完整的ruggedness测试环境如下图所示：
图5：ruggedness测试环境
ruggedness测试需要涵盖以下测试条件：
以上测试项需要交叉组合，确保任意条件下，pa均不会有ruggedness问题。
由于半导体器件的最大击穿电压bvceo随温度降低而降低，pa增益随温度降低而升高，一般ruggedness最恶劣的点发生在低温。所以，一般低温下，最大输入功率、最高电压、最大vswr下，为ruggedness最差条件。
虽然合格的pa在出厂前，进行了完整的ruggedness测试，但在应用中仍然需要对应用环境加以注意，确保ruggedness在应用中得到保障。应用中需要的主要保障如下：
适当控制电源电压
由图3所示，pa在低电压应用时，有较小的电压及电流摆幅，pa的ruggedness将得到较好的保障。所以在应用中，适当控制电压电压，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输出将有更大的电压电流摆幅。在应用允许范围内，适应控制输出功率，将有助于ruggedness提升。
注意电源完整性及信号时序
手机是一个相当复杂的系统，涉及到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，来确保pa是被工作在正常的状态。
pa ruggedness设计是一个复杂工程，与器件物理、电路设计、系统应用均相关。在pa设计中，一定要对ruggedness仔细设计，才可以确保手机在各种环境应用中，均不会出现“烧片”。
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hbt器件有三个极限参数，分别为：
集电极最大允许电流icmax~~集电极最大允许热耗散功率集电极-发射极反向击穿电压bvceo在实际工作中，需要保证器件的最大工作电流、耗散功率、最大电压，在额定范围内。
对于射频pa的hbt器件，输出晶体管的集电极有最大电压及电流摆幅。此点电压与电流之间的摆幅随时间变化，为了更好的表征电压与电流之间的关系，通常用loadline（负载线）的方式，将电压与电流画在同一幅图中，如图2所示。
图2：一款pa的典型的动态负载线
晶体管的负载线反应了在不同的负载下，晶体管电压与电流间的相互关系，一般画在dc-iv曲线上。在负载线中：
负载线的斜率反应了负载阻抗的大小。实际电路中，由于负载虚部的存在，会形成电压/电流相位差，可能使得负载线表现为中空的环形。直流工作点的选择（电压及电流），对负载线的摆幅有影响。在pa工作中，由于高电源电压、高vswr的存在，会让pa输出电压、电流摆幅增大。图3为一个典型的功率放大器，分别是在3.2v及5v偏置电压下，50ω及vswr=10:1下的动态负载线 [2]。可以看到，在大电压及vswr下，pa将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，就会造成器件烧毁。
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