降低手機(jī)射頻功率放大器的功耗及提升效率的方法

在向著4G手機(jī)發(fā)展的過程中，便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師將面臨的最大挑戰(zhàn)是支持現(xiàn)有的多種移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，包括GSM、GPRS、EDGE、UMTS、WCDMA 和HSDPA，與此同時(shí)，要要支持100Mb/s～1Gb/s的數(shù)據(jù)率以及支持OFDMA調(diào)制、支持MIMO天線技術(shù)，乃至支持VoWLAN的組網(wǎng)，因此，在射頻信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的過程中，如何降低射頻功率放大器的功耗及提升效率成為了半導(dǎo)體行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一。目前行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)三條技術(shù)路線，本文就這三條技術(shù)路線進(jìn)行簡(jiǎn)要的比較。

利用超CMOS工藝，從提高集成度來(lái)間接提升PA效率

UltraCMOS采用了SOI技術(shù)，在絕緣的藍(lán)寶石基片上淀積了一層很薄的硅。類似CMOS，UltraCMOS能夠提供低功耗，較好的可制造性、可重復(fù)性以及可升級(jí)性，是一種易用的工藝，支持IP塊的復(fù)用和更高的集成度。

與CMOS不同的是，UltraCMOS能夠提供與在手機(jī)、射頻和微波應(yīng)用領(lǐng)域普遍使用的GaAs 或SiGe技術(shù)相媲美甚至更好的性能。盡管UltraCMOS和pHEMT GaAs都能提供相同級(jí)別的小信號(hào)性能并具有相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格通態(tài)電阻，但是，UltraCMOS能夠提供比GaAs或SiGe更優(yōu)異的線性度和防靜電放電 (ESD)性能。

對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，如最新的多模式、多頻帶手機(jī)，選擇合適的工藝技術(shù)更為關(guān)鍵。例如，在這些應(yīng)用中，天線必須能夠覆蓋800～2200MHz的頻段，開關(guān)必須能管理多達(dá)8路的大功率射頻信號(hào)，同時(shí)還必須具有低插損、高隔離度、極好的線性度和低功耗。適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)能夠改善技術(shù)選項(xiàng)的可用性，進(jìn)而改善天線和射頻開關(guān)的性能，最終改善器件的總體性能。更重要的是，如果工程師在整個(gè)設(shè)計(jì)中采用同一工藝技術(shù)，能夠獲取更高的集成度。

例如，Peregrine公司在UltraCMOS RFIC方面的最新進(jìn)展是推出SP6T和SP7T天線開關(guān)。這些符合3GPP的開關(guān)滿足WCDMA和GSM的要求，使得設(shè)計(jì)工程師可以在兼容 WCDMA/GSM的手機(jī)中使用一套射頻電路，并且實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的性能。SP6T和SP7T天線開關(guān)采用了Peregrine公司的HaR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了二次諧波為-85dBc、三次諧波為-83dBc、2.14GHz上的三階交調(diào)失真(IMD3)為-111dBm這樣的優(yōu)異指標(biāo)。

在手機(jī)設(shè)計(jì)中兩個(gè)最耗電的部分就是基帶處理器和射頻前端。功率放大器(PA)消耗了射頻前端中的絕大部分功率。實(shí)現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵是使射頻前端中的其他電路消耗盡可能少的功耗且不影響PA的工作。在目前所用的選擇中，帶解碼器的GaAs開關(guān)吸納的電流為 600μA，但在典型的射頻前端應(yīng)用中，UltraCMOS SP7T開關(guān)只吸納10μA的電流，因此，可以大幅降低射頻前端的功耗，從而提高射頻功率放大器的效率。

目前，采用CMOS工藝制造射頻功率放大器的公司包括：英飛凌、飛思卡爾、Silicon Labs、Peregrine、Jazz半導(dǎo)體等公司。

利用InGaP工藝，實(shí)現(xiàn)功率放大器的低功耗和高效率

InGaP HBT(異結(jié)雙極晶體管)技術(shù)的很多優(yōu)點(diǎn)讓它非常適合高頻應(yīng)用。InGaP HBT采用GaAs制成，而GaAs是RF領(lǐng)域用于制造RF IC的最常用的底層材料。原因在于：1. GaAs的電子遷移率比作為CMOS襯底材料的硅要高大約6倍;2. GaAs襯底是半絕緣的，而CMOS中的襯底則是傳導(dǎo)性的。電子活遷移率越高，器件的工作頻率越高。

半絕緣的GaAs襯底可以使IC上實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)絕緣，并采用損耗更低的無(wú)源元件。而如果襯底是傳導(dǎo)性的話，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢(shì)。在CMOS中，由于襯底具有較高的傳導(dǎo)性，很難構(gòu)建起功能型微波電路元件，例如高Q電感器和低損耗傳導(dǎo)線等。這些困難雖然可以在一定程度上得到克服，但必須通過在IC裝配中采用各種非標(biāo)準(zhǔn)的制程來(lái)能實(shí)現(xiàn)，而這會(huì)增加CMOS設(shè)備的制造成本。

nGaP特別適合要求相當(dāng)高功率輸出的高頻應(yīng)用。InGaP工藝的改進(jìn)讓產(chǎn)量得到了提高，并帶來(lái)了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。這樣既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了原材料成本，也節(jié)省了板空間。有些InGaP PA也采用包含了CMOS控制電路的多芯片封裝。如今，在接收端集成了PA和低噪音放大器(LNA)并結(jié)合了RF開關(guān)的前端WLAN模塊已經(jīng)可以采用精簡(jiǎn)型封裝。例如，ANADIGICS公司提出的InGaP-Plus工藝可以在同一個(gè)InGaP芯片上集成雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這一技術(shù)正被用于尺寸和PAE(功率增加效率)有所改進(jìn)的新型CDMA和WCDMA功率放大器。

RF CMOS PA與GaAs PA的比較

當(dāng)前，大部分手機(jī)PA都是采用GaAs和InGaP HBT技術(shù)，只有一小部分采用的是RF CMOS工藝制造。與GaAs器件相比，RF CMOS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的集成度，而且成本也更低。

然而，并非所有消費(fèi)電子產(chǎn)品的理想選擇。例如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)市場(chǎng)就被GaAs PA所統(tǒng)治，因?yàn)樗梢灾С指哳l率和高功率應(yīng)用，而且效率很高。另一方面，RF CMOS PA則在藍(lán)牙和ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，因?yàn)樗话氵\(yùn)行功率更低，而且性能要求沒有那么苛刻。

目前，對(duì)于高性能PA應(yīng)用，GaAs仍然是主要技術(shù)，只有它才能滿足大部分高端手機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)性能的苛刻要求。在集成度方面，如果要集成進(jìn)收發(fā)器、基帶和PA，那么，就需要采用一種新的硅工藝。然而，業(yè)界在這方面的趨勢(shì)是繼續(xù)讓PA和收發(fā)器彼此分開，采用不同的封裝，并以GaAs來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的集成。

SiGe有望超越GaAs工藝占據(jù)主流

SiGe BiCMOS 工藝技術(shù)幾乎與硅半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路(VLSI)行業(yè)中的所有新工藝技術(shù)兼容，包括絕緣體硅(SOI)技術(shù)和溝道隔離技術(shù)。隨著擊穿電壓和高性能無(wú)源部件集成技術(shù)的發(fā)展，SiGe 正逐漸滲透至傳統(tǒng)的GaAs領(lǐng)地—即手機(jī)功率放大器應(yīng)用的領(lǐng)域。

一般來(lái)說，手機(jī)功率放大器必須能在高壓下應(yīng)對(duì)10:1的電壓駐波比(VSWR)，并能發(fā)送+28dBm(用于CDMA手機(jī))到+35dBm(用于GSM手機(jī))的信號(hào)。為了制造出滿足嚴(yán)格的手機(jī)技術(shù)要求的 SiGe 功率放大器，SiGe 半導(dǎo)體公司采用fT為 30GHz 的主流 SiGe 工藝，著眼于搶占過去由GaAs功率放大器在擊穿電壓、線性性能、效率以及集成性能上所占有的優(yōu)勢(shì)。

采用SiGe技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是提高集成度。設(shè)計(jì)人員可在功率放大器周圍集成更多的控制電路，這樣，最終的器件就更加節(jié)省空間，從而為集成更多無(wú)線功能的提供令了潛力。例如，采用 SiGe技術(shù)，設(shè)計(jì)人員就可以將功率放大器和 RF 電路集成在一起，卻不會(huì)影響功率放大器的效率，從而延長(zhǎng)手機(jī)電池的壽命。目前，采用SiGe技術(shù)推出射頻功率放大器的公司包括：SiGe半導(dǎo)體公司、 Maxim、飛思卡爾、Atmel等公司。利用SiGe BiCMOS制造工藝進(jìn)行代工的供應(yīng)商主要是IBM以及臺(tái)積電(TSMC)。

如圖1所示為可見，SiGe技術(shù)在射頻器件上的應(yīng)用已經(jīng)跟RF CMOS技術(shù)相當(dāng)，有理由相信，下一步目標(biāo)就是超越GaAs技術(shù)而占據(jù)主流。

本文總結(jié)

隨著多種無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)在手持設(shè)備上的應(yīng)用，只有進(jìn)一步降低射頻功率放大器的功耗，才能延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池使用時(shí)間，從而獲得更加的用戶體驗(yàn)。本文通過對(duì)射頻功率放大器所采用的三種主要工藝技術(shù)進(jìn)行的簡(jiǎn)要比較，指出未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)在于采用SiGe工藝技術(shù)來(lái)制造射頻功率放大器，這是無(wú)線電電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要關(guān)注的技術(shù)趨勢(shì)。