功率放大器（PA）不是「把訊號放大」，而是：把 DC 電源能量高效率地轉成你要的 RF 輸出功率，同時還要滿足 線性、頻譜遮罩、熱與可靠度。
🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 用能量觀理解 PA：Pout、Pin、Pdc、效率 η、PAE 的真正意義
- 建立 PA 核心 trade-off：效率 vs 線性（並理解為何 OFDM 時代更難）
- 認識 PA 工作類別（Class A/AB/B/C/E/F）背後的工程直覺
- 了解 PA 極限來源：電壓擺幅、電流擺幅、崩潰、熱、可靠度、負載與匹配
- 具備基本實務驗證：Pout sweep、PAE、AM-AM/AM-PM、ACLR/EVM、load-pull 概念
🧭 一、先給一句話總結（超核心）
👉 PA 的本質是能量轉換器：用晶體管當「受控開關/受控電流源」，把 DC 能量轉成 RF 輸出功率。
效率與線性先天互斥，你的工作是在規格內做最划算的取捨。
🧠 二、PA 的四個功率量（講清楚就不會被 RF 團隊追殺）
2.1 Pout｜輸出 RF 功率
你真正想送到天線/負載的功率。
2.2 Pin｜輸入驅動功率
驅動級/前級送進來的 RF 功率。
2.3 Pdc｜DC 消耗功率
Pdc = VDD × Idc
你從電池/電源拿走的能量。
2.4 Efficiency 與 PAE
- Drain efficiency：η = Pout / Pdc
- PAE（Power Added Efficiency）：PAE = (Pout − Pin) / Pdc
✅ 工程直覺：
👉 PAE 更貼近系統觀，因為驅動功率也要算成本。
🧠 三、為什麼 PA 的核心 trade-off 是：效率 vs 線性？
你想要線性（像比例放大）
- 互調要低（IM3/IM5）
- 頻譜外溢要小（ACLR）
→ 往往要讓晶體管在較線性的區域工作 → 常意味：長時間導通、偏壓較大、Pdc 浪費更多
你想要效率（像理想開關）
- 不導通時不耗電
- 導通時損耗小
→ 波形更像脈衝/削頂 → 線性變差、頻譜變髒
ASCII 直覺
- 線性好（像 Class A）：
電流一直流 → 熱很大 → 效率差 - 效率好（像開關 PA）：
電流只在某段流 → 波形扭 → 頻譜髒
OFDM 時代更痛
- PAPR 高（峰均比大）
- 為了不削頂要 back-off
- 一 back-off → 效率大幅下降
👉 這就是 4G/5G/6G PA 的系統級難題之一。
🧠 四、Class A/AB/B/C：用「導通角」理解（最直覺）
導通角 = 每個週期有多少比例在導通。
4.1 Class A（導通 360°）
- 線性最好
- 效率最差、熱最難
- 用在：精密線性、驅動級/小功率且線性要求極高
4.2 Class AB（介於 A 與 B）
- 線性/效率折衷
- 產業最常見（手機/基地台常見 AB 或 AB+DPD）
4.3 Class B（導通 180°）
- 效率上升
- 交越失真要處理（推挽常見）
4.4 Class C（導通 <180°）
- 效率更高
- 線性更差
- 常配合諧振/窄頻或特定應用
✅ 工程直覺：
👉 導通角越小 → 越像開關 → 效率越高 → 線性越差
🧠 五、Class E/F：開關型 PA 的世界（效率極限派）
現代高效率 PA 常用 Class E/F 或其變形：
- 目標：讓開關瞬間的 V×I 損耗最小
- 利用 harmonic tuning 塑形波形
- 常見在 IoT、特定頻段或效率極限追求的架構
✅ 直覺一句話：
👉 你不是在等正弦波自然長成，而是在用網路把它 雕刻出來
🧠 六、PA 的真正極限從哪裡來？（不能無限堆功率）
6.1 電壓擺幅極限：崩潰與可靠度
- MOS：Vds/Vgd 超限 → 崩潰/熱載子
- BJT：Vce 超限 → 崩潰
- RF 下寄生與尖峰更嚴重
👉 很多 PA 不是死在平均功率，而是死在 尖峰電壓
6.2 電流擺幅極限：電遷移（EM）與金屬線
大電流造成：
- 金屬線溫升
- 電遷移（長期可靠度殺手）
6.3 熱極限：散不出去就開始崩
Pdc 大 → 熱大；熱帶不走會：
- 增益掉、線性變差
- 壽命縮短
- 最後失效
6.4 負載與匹配極限：Load-pull 世界觀
PA 的 Pout/效率高度依賴負載阻抗。你必須用匹配網路讓晶體管看到它最舒服的阻抗。
ASCII 直覺
- 晶體管舒服的負載 ≠ 50Ω
- 匹配網路的工作：把 50Ω 變成晶體管想看的阻抗
🧠 七、PA 的工程驗證指標（業界必看）
7.1 Pout sweep（功率掃描）
- Pin 逐步增加
- 看 Pout 何時飽和
- 找 P1dB（壓縮點）
- 同時觀察效率曲線
7.2 PAE vs Output Power
你希望在目標輸出功率點有最高 PAE（或至少很高）。
7.3 AM-AM / AM-PM（非線性本體）
- AM-AM：幅度是否比例
- AM-PM：相位是否隨幅度亂跑
→ 直接影響 EVM/ACLR
7.4 ACLR / EVM（系統規格）
- ACLR：鄰道洩漏
- EVM：調變品質
OFDM/高階 QAM 會把非線性放大成系統問題。
7.5 DPD 與 back-off（系統補救）
基地台常用 DPD 拉回線性，但代價是：
- 功耗、延遲、複雜度
而 back-off 會讓效率掉。 👉 系統通常是：PA + DPD + 供電/熱管理 一整套。
🧾 八、一句話記住本單元
🔥 PA 核心直覺：
👉 PA 是能量轉換器：效率靠開關化，線性靠連續導通與回授/DPD；極限由電壓尖峰、電流金屬、熱與負載阻抗決定。你設計的是「在規格內最省電、最不燒、最不髒」的功率輸出方案。
🔬 電子學實驗題（74/120）
實驗名稱
PA 效率 vs 線性實務驗證：Pout/PAE 曲線、P1dB、AM-AM/AM-PM、ACLR（含簡化 load-pull 概念）
🎯 實驗目的
- 建立簡化 RF PA（以 Class AB 為主，可對照 Class A/AB）
- 量測 Pout vs Pin，找 P1dB
- 量測 η 與 PAE 隨輸出功率變化
- 觀察 AM-AM/AM-PM（非線性）
- 用簡化方法理解負載阻抗對 Pout/效率的巨大影響（load-pull 概念）
🧰 器材 / 軟體
- RF 模擬工具：SpectreRF / ADS（簡化可用 SPICE + 行為模型）
- PA 電路（單端或差動）
- 50Ω 負載 + 可調匹配網路（或可變負載阻抗模型）
- 量測：功率、頻譜、相位（工具越完整越好）
🔧 電路概念 ASCII（簡化 Class AB PA）
VDD
|
RFC/Choke
|
Drain o----+-----> 匹配網路 ---> 50Ω Load
|
M1 (PA transistor)
Gate <--- 驅動 (Pin)
Source ---- Rs / bias ---- GND
🔧 實驗步驟（業界 checklist）
A) 建立偏壓：決定 Class A / AB 的工作點
- 設定 VDD、目標頻率 f0
- 設 gate bias：
- Class A：靜態電流較大
- Class AB：靜態電流較小但避免嚴重交越
- 跑 DC OP，確認 Idc 與 Vds
預期：
- Class A：Idc 大、熱大
- Class AB：Idc 小、效率潛力高
B) Pout sweep：Pin 由小到大掃
- 單音輸入 f0
- Pin：-30 dBm → +10 dBm（例）
- 記錄每點 Pout
- 找 P1dB：線性外推與實際曲線差 1 dB 的點
預期：
- 小訊號：Pout 隨 Pin 線性上升
- 大訊號：開始壓縮（增益下降）
C) 效率與 PAE：同時量 Pdc
每個 Pin 點量：
- Pout、Pin
- Pdc = VDD × Idc
再算： - η = Pout/Pdc
- PAE = (Pout−Pin)/Pdc
預期：
- 小功率效率低（偏壓損耗主導）
- 接近飽和前效率上升
- 過度推進：失真嚴重、效率可能飽和或惡化
D) AM-AM / AM-PM：看非線性何時開始「系統崩」
挑三個區間點：
- 線性區 / 接近 P1dB / 超過 P1dB
量： - AM-AM（幅度轉移）
- AM-PM（相位轉移）
預期：
- 接近壓縮：AM-AM 彎曲
- 大訊號：AM-PM 開始飄（相位扭）
E) 簡化 load-pull：改負載看 Pout/效率如何暴走
- 用可變負載或匹配網路改等效阻抗
- 固定同一 Pin，掃幾個負載點（R、X 組合）
- 記錄 Pout 與 PAE
預期：
- 負載一改，Pout/效率差異巨大
- 會出現某些負載點效率特別高或功率特別大
❓思考問題（5 題）＋解析
Q1：為什麼 Class A 線性好但效率差？
解析：導通角 360°，即使小訊號也有大靜態電流，Pdc 長期消耗，效率先天受限。
Q2：為什麼 OFDM 讓 PA 更難？
解析：PAPR 高，為避免削頂需 back-off，使平均工作點落在低效率區且線性要求更嚴。
Q3：P1dB 為什麼重要？
解析：過了 P1dB 非線性急增，ACLR/EVM 快速惡化，影響合規與性能。
Q4：為什麼匹配網路是 PA 的一部分？
解析：它決定晶體管看到的等效負載阻抗，直接決定功率、效率、波形與可靠度尖峰。
Q5：為什麼效率通常在某段輸出功率最高？
解析：低功率偏壓損耗主導；高功率壓縮/損耗上升；中間常有 sweet spot。
🧠 工程結論
PA 設計不是追單一極值，而是：
在指定調變、頻譜遮罩、線性與熱限制下，找到可長期可靠運行的 功率/效率最佳區，再搭配 DPD、供電調變與散熱 完成整機性能。
