最新GaN 射頻功率 IC 提升了 5G 網(wǎng)絡(luò)性能介紹

5G 挑戰(zhàn)可以通過(guò)使用先進(jìn)的半導(dǎo)體(例如基于 GaN 的射頻功率 IC)來(lái)解決，這些半導(dǎo)體可提供更高的性能和效率。

5G 技術(shù)引入了大量需要在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施的新射頻功能，同時(shí)考慮到電路板空間和功耗的嚴(yán)格限制。為了滿足這些越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的要求，RF 設(shè)計(jì)人員已轉(zhuǎn)向使用替代材料，例如寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，與傳統(tǒng)的硅基 RF 功率 IC 相比，它們能夠在功率密度和效率方面提供顯著改進(jìn).

與以前部署的基礎(chǔ)設(shè)施相比，第五代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供更高帶寬和更低延遲的服務(wù)，需要更高性能和更高效的電源設(shè)備。雖然硅在較低頻率下仍能提供出色的性能，但氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率 IC 等 WBG 半導(dǎo)體更適合 6GHz 以上和毫米波應(yīng)用。

5G 射頻挑戰(zhàn)

盡管 5G 技術(shù)增加了帶寬，但使用更高頻率的部分頻譜會(huì)產(chǎn)生不可避免的信號(hào)衰減問(wèn)題。更高的帶寬意味著更低的信噪比，這可以通過(guò)增加信號(hào)電平來(lái)補(bǔ)償;即增加發(fā)射功率、天線數(shù)量和小區(qū)數(shù)量。然而，市場(chǎng)需要能夠提供盡可能低的外形尺寸、成本和功耗的解決方案。因此，射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員既面臨 5G 實(shí)施所需的技術(shù)挑戰(zhàn)，也面臨商業(yè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商施加的限制。

另一個(gè)重大挑戰(zhàn)與功率放大器 (PA) 有關(guān)。為了在頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率，5G 網(wǎng)絡(luò)使用 256 正交幅度調(diào)制 (QAM) 方案，信號(hào)提供高峰均峰比 (PAPR)。高 PAPR 至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)將功率放大器推入非線性區(qū)域，從而導(dǎo)致失真和干擾。如果放大器設(shè)計(jì)為在峰值電平下高效且線性地運(yùn)行，則它通常會(huì)在中等功率電平下提供低效率。

5G 帶來(lái)的這些挑戰(zhàn)可以通過(guò)使用先進(jìn)材料(例如 WBG)以及針對(duì)此類(lèi)無(wú)線電應(yīng)用的特定設(shè)計(jì)解決方案(例如 Doherty 放大器)來(lái)克服。后者包括兩個(gè)處理不同功率電平信號(hào)的放大器電路，顯著提高了 PA 的效率和線性度。Doherty 放大器也可以與數(shù)字預(yù)失真電路相結(jié)合，從而進(jìn)一步線性化功率器件。

功率器件技術(shù)

目前，能夠?qū)崿F(xiàn) 5G 所需高性能水平的主要技術(shù)主要有 3 種：橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS)、砷化鎵 (GaAs) 和 GaN。

LDMOS 于 1970 年代引入以提高功率 MOSFET 的擊穿電壓，立即被證明是一種優(yōu)于雙極晶體管的技術(shù)，在 1990 年代成為射頻大功率器件的參考標(biāo)準(zhǔn)。LDMOS 器件使用當(dāng)前的制造工藝制造起來(lái)更簡(jiǎn)單、更便宜，正在逐漸讓位于基于 WBG 材料的組件。然而，預(yù)計(jì)在未來(lái)，它們將繼續(xù)主要用于較低頻段的部署(頻率高達(dá) 2 GHz)。因此 GaN 和 LDMOS 將在 5G 系統(tǒng)中共存。

為了滿足低功耗、小尺寸和更好的熱管理的要求，基于 GaAs 技術(shù)的功率器件以及最近的 GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 在射頻應(yīng)用中變得越來(lái)越流行。與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體相比，這些復(fù)合材料具有顯著優(yōu)勢(shì)，例如更高的開(kāi)關(guān)頻率、更低的損耗、更高的功率密度和更好的熱管理。

由于其高導(dǎo)熱性，GaN-on-SiC 主要用于新型 5G 有源天線無(wú)線電。然而，它是射頻應(yīng)用中最昂貴的材料之一，因?yàn)樗皇侵髁鞯陌雽?dǎo)體加工工藝，并且在制造過(guò)程中容易出現(xiàn)缺陷。可以在 8 英寸晶圓廠中生產(chǎn)的 GaN-on-Si 可實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量(每個(gè)晶圓更多的裸片)，但性能低于 GaN-on-SiC。

射頻功率集成電路

以下是適用于 5G 應(yīng)用的射頻功率 IC 示例。它們包括一系列 GaN 和 GaN-on-SiC 器件。

恩智浦半導(dǎo)體

恩智浦最近發(fā)布了一個(gè)新的 32T32R 分立解決方案系列，可實(shí)現(xiàn)更小、更輕的 5G 基站，以便在城市和郊區(qū)輕松部署。新系列增加了現(xiàn)有的 64T64R 無(wú)線電分立式功率放大器解決方案組合，涵蓋從 2.3 到 4.0 GHz 的所有蜂窩頻段，并基于恩智浦最新一代的 GaN 技術(shù)。通過(guò)使用 32 個(gè) Rx/Tx 天線而不是 64 個(gè)天線，可以將大規(guī)模 MIMO 覆蓋范圍擴(kuò)大到人口密度較低的城市和郊區(qū)，從而提供更具成本效益的解決方案。

新的 32T32R 解決方案包含 32 個(gè)功率放大器，在相同的封裝中提供兩倍于其前代解決方案的功率，從而實(shí)現(xiàn)更小、更輕的 5G 解決方案。引腳兼容性使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠在頻率和功率水平上快速擴(kuò)展。32T32R 器件在天線上提供 10W 平均輸出功率(針對(duì) 320W 無(wú)線電單元)，包括驅(qū)動(dòng)器和末級(jí)晶體管，這些晶體管基于 NXP 的高度線性化 RF GaN 技術(shù)，由 NXP 在亞利桑那州的新 GaN 工廠制造。

顯示了一個(gè)典型的陣容，其中A5G26H110N 15-W 非對(duì)稱(chēng) Doherty 射頻功率 GaN 晶體管覆蓋了 2,496 和 2,690 MHz 之間的頻率范圍，前面是A5G26S008N 27-dBm 射頻功率 GaN 晶體管，用作驅(qū)動(dòng)器。

Qorvo 為基礎(chǔ)設(shè)施和移動(dòng)應(yīng)用提供廣泛的射頻連接解決方案，包括功率放大器、開(kāi)關(guān)、移相器、集成模塊和其他高性能分立射頻設(shè)備。例如，QPA3908 是一款針對(duì) 6GHz 以下 5G 應(yīng)用的 Doherty 功率放大器模塊 (PAM)。該 PAM 基于 GaN 技術(shù)，可在緊湊的占位面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能，從而減少有源天線解決方案的尺寸和重量，例如大規(guī)模 MIMO 基站和 O-RAN 網(wǎng)絡(luò)。

QPA3908 支持美國(guó) C 波段應(yīng)用，工作頻率范圍為 3.7–3.98 GHz，而QPA3810支持歐洲市場(chǎng)的應(yīng)用，工作頻率范圍為 3.4–3.8 GHz。兩個(gè)模塊都在 50 Ω 時(shí)輸入/輸出匹配，具有 48 V 的漏極電壓，實(shí)現(xiàn)出色的線性度，并且需要最少的外部組件。該器件包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器 PA 和 Doherty 末級(jí)，可提供 8W 平均輸出功率。功率放大器模塊采用 8 × 10-mm 封裝，已完全組裝，無(wú)需任何額外調(diào)整。該解決方案使 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更容易，與多分立式功率放大器解決方案相比，減少了設(shè)計(jì)時(shí)間。

Ampleon 提供范圍廣泛的射頻功率器件、單片微波集成電路 (MMIC)、托盤(pán)和模塊，可采用 LDMOS 和 GaN 技術(shù)。C4H27W400AV 是一款不對(duì)稱(chēng) Doherty 功率晶體管，適用于基站和多載波應(yīng)用，能夠在 2,300–2,700 MHz 的頻率范圍內(nèi)工作。這款高效器件采用創(chuàng)新的 GaN 技術(shù)，可提供 400W 的輸出功率、出色的數(shù)字預(yù)失真能力和更低的輸出電容，從而提高 Doherty 應(yīng)用的性能。C4H27W400AV 采用 DFM6 (SOT1275-1) 封裝，內(nèi)部匹配以方便使用。

狼速公司

由于其固有的高工作頻率和更寬的帶寬性能，GaN 是滿足 5G NR 要求的理想解決方案。更高的效率和功率密度等其他優(yōu)勢(shì)使 GaN-on-SiC 能夠有效地用于 sub-6-GHz (5G FR-1) 頻段，在該頻段可以替代 LDMOS 器件。Wolfspeed GTRB266908FC就是一個(gè)例子，它是一種高功率射頻 GaN-on-SiC高電子遷移率晶體管 (HEMT)，可滿足多標(biāo)準(zhǔn)蜂窩功率放大器應(yīng)用的要求。

新的 HEMT在 2,515 至 2,675 MHz 頻率范圍內(nèi)工作， 在 3 dB 壓縮點(diǎn) (P 3 dB)提供 549 W 的 P OUT和 69.2% 的效率。關(guān)鍵規(guī)格包括 50.1 dBm 的 P OUT(平均)、57.8-dBm Psat、48% 的效率、15-dB 增益和更高的 194-MHz IBW。該功率器件的工作電壓為 48 V，具有帶無(wú)耳法蘭的熱增強(qiáng)封裝。它是無(wú)鉛的，并且符合 RoHS 和人體模型 1B 類(lèi)(根據(jù) ANSI/ESDA/JEDEC JS-001)標(biāo)準(zhǔn)。

英飛凌科技股份公司

憑借其專(zhuān)有的 CoolGaN 技術(shù)，英飛凌提供了廣泛的 GaN 器件選擇，適用于電壓范圍高達(dá) 600 V 的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用。CoolGaN 系列包括可提供所需的高效率和極快開(kāi)關(guān)速度的 e-mode HEMT在 5G 應(yīng)用中。

GaN HEMT 的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其相對(duì)于溫度無(wú)關(guān)的導(dǎo)通電阻，這導(dǎo)致其品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于類(lèi)似的基于硅的同類(lèi)產(chǎn)品。GaN 特性對(duì)電源解決方案的重量和尺寸都有顯著影響，顯著減少了電路板空間和重量。這是 5G 應(yīng)用中的一個(gè)重要因素，其中為安裝預(yù)留的空間非常有限。

英飛凌的IGO60R070D1是一款全新的 CoolGaN 600-V e 模式功率晶體管，可提供快速的開(kāi)啟和關(guān)閉速度以及最小的開(kāi)關(guān)損耗。它還支持具有最高效率的簡(jiǎn)單半橋拓?fù)?。這種常關(guān)開(kāi)關(guān)具有超快開(kāi)關(guān)、無(wú)反向恢復(fù)電荷、低柵極和輸出電荷以及反向傳導(dǎo)能力。

微芯片技術(shù)公司

Microchip 最近通過(guò)推出新的 MMIC 和分立器件擴(kuò)展了其射頻功率產(chǎn)品組合。新器件覆蓋高達(dá) 20 GHz 的頻率，結(jié)合了高功率附加效率 (PAE) 和高線性度，可滿足 5G 應(yīng)用的挑戰(zhàn)性要求。與其他 Microchip GaN 射頻功率產(chǎn)品一樣，MMIC 基于 GaN-on-SiC 技術(shù)，提供高功率密度和良率以及高電壓操作和使用壽命的最佳組合。它們包括覆蓋 2–18 GHz、12–20 GHz 和 12–20 GHz(P 3 dB)的 GaN MMIC。

Microchip 最近推出的器件包括 ICP2840(最初發(fā)布為GMICP2731-10)GaN MMIC 功率放大器，旨在滿足 5G 網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星通信和航空航天和國(guó)防應(yīng)用的要求。ICP2840 采用 GaN-on-SiC 技術(shù)構(gòu)建，可在 3.5 GHz 的帶寬和 27.5 至 31 GHz 的頻率范圍內(nèi)提供高達(dá) 10 W 的輸出功率。該芯片實(shí)現(xiàn)了 20% 的 PAE 和高線性度，具有 22 dB 的小信號(hào)增益和 15 dB 的回波損耗。平衡拓?fù)湓试S器件與 50 Ω 完美匹配，而隔直電容器簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)集成。