多模/多頻功率放大器模塊助力復(fù)雜射頻技術(shù)設(shè)計

　現(xiàn)代手機(jī)需要處理經(jīng)過復(fù)雜調(diào)制的蜂窩信號以及藍(lán)牙、WiFi、WiMAX、GPS等其它射頻信號。為滿足用戶對體積小、電池續(xù)航時間長的要求，手機(jī)需要具有高線性度和低噪能力的單一寬帶射頻功率放大器(PA)。ANADIGICS、安華高科技(Avago Technologies)、RFMD、Skyworks、意法半導(dǎo)體和TriQuint等公司就是一些推動這一趨勢的關(guān)鍵制造商。

　　兩年多前，ANADIGICS預(yù)料到這一需求并推出了3G五頻PA模塊AWT6223?；诓捎昧薆iFET工藝的HELP2技術(shù)，AWT6223功率放大器模塊大大降低了工作在WCDMA以及GSM模式下的平均功耗。ANADIGICS現(xiàn)正準(zhǔn)備為3G/4G應(yīng)用推出基于HELP4技術(shù)的新一代多模多頻段功率放大器模塊(圖1)。據(jù)該公司業(yè)務(wù)拓展和應(yīng)用總監(jiān)Mahendra Singh介紹：“這種衍生自InGaP-Plus的BiFET工藝，能在同一芯片上，同時集成了射頻開關(guān)、功率放大器和穩(wěn)壓器。另外，它支持制造具有多個增益級的功率放大器、其中每個增益級都對線性和效率進(jìn)行了優(yōu)化。”

　　圖1：BiFET實(shí)現(xiàn)單芯片集成RF開關(guān)、多增益PA和一個穩(wěn)壓器。

　　ANADIGICS 目前已開發(fā)出針對多模、多頻段的下一代手機(jī)功率放大器。諸如ALT6704，它覆蓋了1710MHz到1785MHz的頻段3、4和9，可支持CDMA、 WCDMA/UMTS和LTE模式。Singh指出，在其28dBm輸出功率時的效率要高出40%;在16dBm輸出功率時的效率要高出30%。在整個頻譜范圍，ALT6704有-40dBc(±5MHz ACLR)的線性度，而靜態(tài)電流(Icq)只有3mA。“與其它產(chǎn)品不同，基于HELP4的功率放大器不需要DC-DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)閮?nèi)部開關(guān)能針對不同功率水平提供最佳負(fù)載線。”Singh表示。該公司還正在努力開發(fā)一款真正融合的3G/4G功率放大器模塊，它將支持多種頻段和空中接口模式。

　　TriQuint也在進(jìn)行融合功率放大器模塊的開發(fā)。它與收發(fā)器/基帶芯片組廠商合作，正在為多模、多段移動設(shè)備開發(fā)一種可升級的3G/4G融合射頻架構(gòu)。這款稱為TRIUMF的架構(gòu)可支持3G移動設(shè)備使用的多個頻段和空中接口，包括：GSM、EDGE、WCDMA和HSPA。TriQuint高級市場營銷總監(jiān)Shane Smith指出，將各功能融合進(jìn)一個功率放大器模塊的作法將比當(dāng)今分離方案的體積減少50%。TriQuint正同時設(shè)計無源和有源射頻器件以創(chuàng)造一個寬帶射頻放大器架構(gòu)。TRIUMF不僅支持用于語音和低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的GSM/GPRS/EDGE模式還支持用于高速數(shù)據(jù)應(yīng)用的WCDMA/HSPA /LTE模式。在多頻段方面，它可處理傳統(tǒng)四頻段GSM850/900/DCS1800/PCS1900。這樣，它將支持全球范圍的WCDMA/HSPA /LTE覆蓋。

　　這個架構(gòu)還允諾提供可擴(kuò)展性和系統(tǒng)級驗(yàn)證。Smith稱，TriQuint正與業(yè)界領(lǐng)先的3G芯片組供應(yīng)商緊密合作，進(jìn)行 TRIUMF架構(gòu)的設(shè)計。TRIUMF的主要優(yōu)點(diǎn)包括：更長的電池續(xù)航時間、降低了的材料成本以及更小型的射頻系統(tǒng)。該公司強(qiáng)調(diào)，一個整合了天線開關(guān)、模式/頻段開關(guān)和雙工器的單一的融合功率放大器模塊將顯著減小前端的電路板面積。雖然射頻開關(guān)是采用砷化鎵pHEMT器件實(shí)現(xiàn)的，但PA將利用磷化銦鎵基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)器件。事實(shí)上，使其得以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)是混合模式BiHEMT工藝。

　RFMD是從事融合方案研發(fā)的另一家半導(dǎo)體供應(yīng)商。該公司已推出一個3G/4G前端平臺，它支持覆蓋2G/2.5G/3G/4G移動標(biāo)準(zhǔn)多達(dá)9個蜂窩頻段。除了前端的靈活性，該融合架構(gòu)提高了功能密度，從而簡化了設(shè)計、降低了成本并加快了3G和4G多模移動設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，該公司3G/4G產(chǎn)品營銷總監(jiān)Ben Thomas表示。這款名為RF6460的融合平臺包括以下內(nèi)容：RF6260多模、多頻功率放大器模塊;RF6360天線切換模塊 (ASM);RF6560前端電源管理IC。由于對功率放大器進(jìn)行了精心設(shè)計，以使它能在2G工作中，運(yùn)行于飽和GMSK和線性EDGE架構(gòu);在 3G/4G工作中，運(yùn)行于高效、優(yōu)化的線性模式。為了去掉隔離器及同時保持寬帶和VSWR容錯性能，RF6260 功率放大器模塊使用了對負(fù)載不敏感、平衡(雙正交)的架構(gòu)。為服務(wù)多頻段配置以及2G和3G/4G工作，它集成了一個SP4T/SP3T模式開關(guān)?？蓴U(kuò)展的RF6260支持多達(dá)五個頻段。

　　為與功率放大器一起工作，前端電源管理芯片包含一個升壓/降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器和輔助電荷泵。轉(zhuǎn)換器可迅速對負(fù)載和線路瞬態(tài)做出響應(yīng)，所以在很寬的電壓范圍內(nèi)，該轉(zhuǎn)換器提供給功率放大器的輸出電壓的紋波很小。因此，它可動態(tài)控制功率放大器的工作狀況以實(shí)現(xiàn)最佳效率和線性。對RF6360 ASM開關(guān)而言，它提供了一個單刀八擲(SP8T)pHEMT開關(guān)，該開關(guān)支持五個WCDMA頻段(1、2、4、5和8)以及兩個高頻段和兩個低頻段的 2G/2.5G路徑。三線SDI接口允許用戶選擇ASM的激活路徑。

　　去年底，Skyworks推出其首款用于4G的多模、多頻段頻分復(fù)用/時分復(fù)用(FDD/TDD)功率放大器模塊——SKY77441。該公司的高級工程總監(jiān)Gene Tkachenko介紹，SKY77441是為LTE TDD頻段7和LTE FDD頻段38和40開發(fā)的，是一款完全匹配的表面貼裝模塊。

　　SKY77441 是采用InGaP- BiFET工藝實(shí)現(xiàn)的，它以帶正交相移鍵控(QPSK)或16態(tài)正交調(diào)幅(QAM)信號的全資源塊分配提供26dBm以上的線性輸出功率。在WCDMA調(diào)制時，它提供28dBm以上的線性輸出功率。除了帶功率檢測的功率放大器級以外，該P(yáng)A模塊還集成了輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。該公司還正在開發(fā) SKY77441的各種不同版本，以支持新應(yīng)用所需的更多頻段。

　　為成功地在單一放大器內(nèi)整合頻段及模式，安華高科技注意到，需要物理上更大的架構(gòu)。這種架構(gòu)通常需要額外的、像DC-DC轉(zhuǎn)換器那種不乏昂貴的電路。由于功率放大器之后的開關(guān)損耗、不那么優(yōu)化的負(fù)載線、DC-DC 的功耗以及其它問題，這種架構(gòu)在效率上也受到顯著影響。鑒于當(dāng)今的多頻段需求，制造商基本上能以高出10到20%的電流消耗省去一個甚或兩個單頻功率放大器。因?yàn)閱我还β史糯笃饕话悴怀^物料成本的1%，安華高科技的設(shè)計師拿不準(zhǔn)這是否值得。

　　未來，安華高科技預(yù)測，三個或更多的功率放大器將會從設(shè)計中被淘汰。這應(yīng)該是在多模、多頻應(yīng)用中采取單一寬帶功率放大器模塊方案的交叉點(diǎn)。安華高科技計劃開發(fā)多模、多頻功率放大器架構(gòu)并正朝這一方向努力。該公司的設(shè)計師在研究多種架構(gòu)，其中一些看起來希望較大。但在架構(gòu)上，該公司還試圖確定它具有的優(yōu)勢能顯著壓倒從成本和性能方面出發(fā)的考慮。

　　雖然大多數(shù)開發(fā)商在其有源器件的開發(fā)中采取砷化鎵和相關(guān)的化合物半導(dǎo)體技術(shù)，射頻CMOS供應(yīng)商也把目光投向這個利潤豐厚的市場。利用一種新穎的功率放大器架構(gòu)，初創(chuàng)公司Black Sand已研制出一款3G CMOS功率放大器。雖然其第一個版本是特定頻段、特定模式的，但多段、多模的CMOS功率放大器也在該公司的研發(fā)路線圖上。因?yàn)橛锌赡茉谕粋€硅芯片上集成數(shù)字控制器和電源管理電路，該公司正在研究各種架構(gòu)，其中要令核心CMOS功率放大器能夠針對期望的頻段和模式動態(tài)地進(jìn)行重新配置。理想情況下，也還要能對偏置實(shí)施動態(tài)優(yōu)化以獲得最佳性能。