如何降低射頻功率放大器的功耗方案比較

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)的競爭焦點(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)行簡要的比較。

　　利用超CMOS工藝，從提高集成度來間接提升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源元件。而如果襯底是傳導(dǎo)性的話，就無法實(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，并帶來了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。這樣既簡化了系統(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。