CMOS功率放大器技術(shù)優(yōu)化單芯片手機(jī)方案設(shè)計(jì)

每年生產(chǎn)10多億部手機(jī)的手機(jī)市場已成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中競爭最激烈的領(lǐng)域。一直有這種說法：諸如砷化鎵(GaAs)、橫向擴(kuò)散MOS(LDMOS)或硅鍺(SiGe)雙極CMOS(BiCMOS)等特殊工藝以不太精尖的幾何精度就可提供制造商和設(shè)計(jì)師所需的短期成本優(yōu)勢和線性調(diào)制。但CMOS固有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)驅(qū)使業(yè)界一直對其進(jìn)行大量投入，因此其規(guī)模也一直且將繼續(xù)領(lǐng)先于其他的工藝產(chǎn)品。

例如早先由英飛凌、恩智浦和Skyworks等供應(yīng)商用專門的BiCMOS工藝制造的收發(fā)器模塊，這些模塊改用CMOS實(shí)現(xiàn)已有很長時(shí)間了，而且在某些場合它還被整合進(jìn)系統(tǒng)級芯片中的手機(jī)主處理器內(nèi)。設(shè)計(jì)師一再發(fā)現(xiàn)，盡管采用要求苛刻的工藝可能會帶來電路模塊方面的挑戰(zhàn)，但從長期觀點(diǎn)看，用標(biāo)準(zhǔn)CMOS實(shí)現(xiàn)模擬模塊會得到回報(bào)。但CMOS工藝一直沒能成功進(jìn)入功放(PA)模塊領(lǐng)域，而功放是手機(jī)內(nèi)的一個關(guān)鍵部件。

直到現(xiàn)在，PA的研制都是采用專門的GaAs或LDMOS工藝配以混合模塊封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，整體上它是一種代價(jià)高昂的制造流程，從而使PA占據(jù)著手機(jī)成本中的一大塊。功放要求所采用的特殊半導(dǎo)體工藝能夠提供高擊穿電壓、高增益和高頻晶體管元件?；旌戏庋b技術(shù)提供了高Q無源器件以生成50Ω的匹配電路。采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS實(shí)現(xiàn)PA，意味著設(shè)計(jì)師必須面對沒有增強(qiáng)型晶體管和高Q無源器件的局面，從而使全集成PA的開發(fā)變得極富挑戰(zhàn)性。

最近出現(xiàn)了一種有可能利用CMOS工藝制造PA的新技術(shù)，這樣，PA就可以被放在一個簡單塑料封裝內(nèi)。分布式有源變壓器(DAT)技術(shù)如其所稱，其幾何結(jié)構(gòu)支持使用Q值相對低的半導(dǎo)體金屬來提供基于變壓器的匹配電路，從而省去了模塊封裝。將PA內(nèi)核分配到幾個塊中，再利用變壓器結(jié)構(gòu)方式整合電源以及其他多項(xiàng)專利技術(shù)，就可以省卻高擊穿電壓晶體管。

圖1：基于DAT的CMOS功放技術(shù)被應(yīng)用于獨(dú)立型GPRS手機(jī)中。

DAT技術(shù)的發(fā)明是建立在加州理工學(xué)院的研究成果基礎(chǔ)上的。Axiom Microdevices公司對這項(xiàng)技術(shù)又進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了DAT PA的商用化生產(chǎn)，并對通用分組無線服務(wù)(GPRS)PA器件的產(chǎn)品化進(jìn)行了完善，解決了諸如接收帶噪聲和需要在高壓電池組下工作等具體應(yīng)用問題。

與GaAs等產(chǎn)品不同，由于功率內(nèi)核采用CMOS實(shí)現(xiàn)，所以偏置和調(diào)整GPRS類型PA功率所需的小信號控制電路可與主功率級電路集成在同一裸片內(nèi)，從而進(jìn)一步降低了成本。PA內(nèi)核的集成還為支持線性調(diào)制方案提供了更大靈活性。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師一直采用如下兩種方法之一 ：一個是采用線性調(diào)制器和PA的“強(qiáng)制法”；另一個是更先進(jìn)的“包絡(luò)重構(gòu)”法，此時(shí)非線性、高效的PA成為極化調(diào)制器的內(nèi)核。

對后一種方法而言，采用傳統(tǒng)的PA建構(gòu)技術(shù)將帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。例如，用特殊工藝實(shí)現(xiàn)的PA內(nèi)核對溫度和工藝變化的響應(yīng)與線性化電路是不同的。這種情況通常會導(dǎo)致極不合理的要求，即最終用戶或手機(jī)廠商必須增加工廠校準(zhǔn)時(shí)間來進(jìn)行補(bǔ)償，從而增加成本。相反，如果將PA內(nèi)核與其控制器集成在同一裸片上，則會為監(jiān)控或控制激勵提供多點(diǎn)接入。這樣，當(dāng)設(shè)計(jì)師開發(fā)最佳性能和成本結(jié)構(gòu)的發(fā)送架構(gòu)時(shí)，就會有更多選擇。

下一步可預(yù)期的發(fā)展是將PA與手機(jī)內(nèi)的其他組件進(jìn)一步整合，比如上述已經(jīng)采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的基帶和收發(fā)器模塊。從大量出貨的Axiom公司AX502器件可以看出，基于DAT的CMOS功放技術(shù)用在單獨(dú)的GPRS產(chǎn)品內(nèi)是可行的。它還具有進(jìn)一步整合的可能，從而幫助業(yè)界繼續(xù)滿足制造商和設(shè)計(jì)師對體積更小更具成本效益的芯片組的需求，并提供更多功能。