射频（RF）基站的幕后故事（第1部分）
我们在自己的日常活动（或是给亲戚打电话、或是给朋友发短信、甚至是通过移动设备阅读这篇博客文章）中使用射频（rf）通信。空气里有许多信号在快速传播，然而，大多数这样的信号是哪里产生的呢？大部分rf通信源自蜂窝塔或无线基站，例如图1所示的基站塔。
图1：手机基站
这些基站内有很多组件，因此一份完整的总结将变成一篇博士论文！但笔者不会面面俱到去赘述，而是集中讨论一种对任何基站而言均至关重要的组件：功率放大器（pa）。
正如您可能已猜到的，pa的目的是将低功率rf信号放大成高功率rf信号（被驱入基站发射器）。
在注入任何rf信号之前，要把一种直流（dc）电压（vgate）施加到pa的栅极并对该电压进行调节，直到所需的漏极电流流过pa。该电流通常被称为静态电流 —— 无rf输入存在时流动的电流。可对该静态电流值进行选择，以适合最终应用（包括调制系统和器件运行级别）。图2是典型pa设置的简化原理图。
图2：简化的pa原理图
为更好地了解栅极电压和静态电流如何影响rf（交流 (ac) ）性能，您可以用金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）模型来代替pa，得出下面的表达式：
（处于饱和状态的mosfet）
（1）
（2）
图3是两个方程式的图形表述形式。驱动一个小的rf输入信号，使其叠加到dc栅极电压上，从而产生一种ac漏极电流δids。该ac电流围绕静态电流值idsq（见图3a）振荡。您可利用mosfet晶体管i-v曲线和负载线分析来找到相应的ac漏极电压δvds（见图3b）。在确定ac漏极电压与ac漏极电流之间的关系时，方程式2可进一步简化为方程式3。
（3）
在图3a中，使用跨导的斜率计算结果gm，您可进一步将表达式归纳为：
（4）
因此该放大器的电压增益δvds/δvgate被诠释为–rs • gm，这可换算成：
–rs • 2 • idsq/(vgate – vth)
上述表达式主要阐明该配置的增益与静态电流idsq直接成比例。此外，还可对idsq进行选择，以确保输出电压摆幅不会因饱和而受限；这就是您应该在rf运行之前选一个idsq值的原因，此举需要一种规定的dc栅极电压。
图3：（a）mosfet vgate与ids曲线图
（b）mosfet共源负载线分析
传统上，大多数pa偏置系统均采用分立式解决方案，有些这样的解决方案像pa栅极上的电位计（可变电阻分压器）一样简单。较新的方法利用精密数模转换器（dac）和/或数字电位计的准确性和数字接口。横向扩散mosfet（ldmos）、砷化镓（gaas）和氮化镓（gan）等不同的pa技术需要不同等级的栅极电压用于器件运行。例如，gan和gaas需要负偏置系统，而ldmos则需要适用于器件运行的正电压。出于这个原因，许多pa偏置解决方案现在也开始把具有双极性范围的dac列为一部分。
pa在器件运行过程中显示出的非线性主要依赖于温度。这些非线性可显著影响性能，因为它们会导致不可预测的器件行为。笔者在以后的博文中将讨论这些非线性，敬请关注。
如欲进一步了解pa偏置解决方案或模拟监测与控制（amc）器件，欢迎查看这些产品：amc7812、amc7832、amc7836。
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图2：简化的pa原理图
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（1）
（2）
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（3）
在图3a中，使用跨导的斜率计算结果gm，您可进一步将表达式归纳为：
（4）
因此该放大器的电压增益δvds/δvgate被诠释为–rs • gm，这可换算成：
–rs • 2 • idsq/(vgate – vth)
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图3：（a）mosfet vgate与ids曲线图
（b）mosfet共源负载线分析
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