提高射頻功率放大器效率的技術(shù)比較

在向著4G手機發(fā)展的過程中，便攜式系統(tǒng)設計工程師將面臨的最大挑戰(zhàn)是支持現(xiàn)有的多種移動通信標準，包括GSM、GPRS、EDGE、UMTS、WCDMA和HSDPA，與此同時，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，在射頻信號鏈設計的過程中，如何降低射頻功率放大器的功耗及提升效率???為了半導體行業(yè)的競爭焦點之一。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、可重復性以及可升級性，是一種易用的工藝，支持IP塊的復用和更高的集成度。

　　與CMOS不同的是，UltraCMOS能夠提供與在手機、射頻和微波應用領域普遍使用的GaAs或SiGe技術(shù)相媲美甚至更好的性能。盡管UltraCMOS和pHEMT GaAs都能提供相同級別的小信號性能并具有相當?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。

　　對于更復雜的應用，如最新的多模式、多頻帶手機，選擇合適的工藝技術(shù)更為關鍵。例如，在這些應用中，天線必須能夠覆蓋800～2200MHz的頻段，開關必須能管理多達8路的大功率射頻信號，同時還必須具有低插損、高隔離度、極好的線性度和低功耗。適當?shù)墓に嚰夹g(shù)能夠改善技術(shù)選項的可用性，進而改善天線和射頻開關的性能，最終改善器件的總體性能。更重要的是，如果工程師在整個設計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方面的最新進展是推出SP6T和SP7T天線開關。這些符合3GPP的開關滿足WCDMA和GSM的要求，使得設計工程師可以在兼容WCDMA/GSM的手機中使用一套射頻電路，并且實現(xiàn)業(yè)界領先的性能。SP6T和SP7T天線開關采用了Peregrine公司的HaR技術(shù)，實現(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。

　　在手機設計中兩個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。實現(xiàn)低功耗的關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開關吸納的電流為600μA，但在典型的射頻前端應用中，UltraCMOS SP7T開關只吸納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半導體等公司。

　　利用InGaP工藝 實現(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)點讓它非常適合高頻應用。InGaP HBT采用GaAs制成，而GaAs是RF領域用于制造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上實現(xiàn)更好的信號絕緣，并采用損耗更低的無源元件。而如果襯底是傳導性的話，就無法實現(xiàn)這一優(yōu)勢。在CMOS中，由于襯底具有較高的傳導性，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準的制程來能實現(xiàn)，而這會增加CMOS設備的制造成本。
nGaP特別適合要求相當高功率輸出的高頻應用。InGaP工藝的改進讓產(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)設計，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InGaP芯片上集成雙極晶體管和場效應晶體管。這一技術(shù)正被用于尺寸和PAE（功率增加效率???有所改進的新型CDMA和WCDMA功率放大器。

　　RF CMOS PA與GaAs PA的比較

　　當前，大部分手機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，并非所有消費電子產(chǎn)品的理想選擇。例如無線網(wǎng)絡和手機市場就被GaAs PA所統(tǒng)治，因為它可以支持高頻率和高功率應用，而且效率很高。另一方面，RF CMOS PA則在藍牙和ZigBee應用領域占據(jù)主導地位，因為它一般運行功率更低，而且性能要求沒有那么苛刻。

　　目前，對于高性能PA應用，GaAs仍然是主要技術(shù)，只有它才能滿足大部分高端手機和無線網(wǎng)絡設備對性能的苛刻要求。 在集成度方面，如果要集成進收發(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來實現(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領地—即手機功率放大器應用的領域。

　　一般來說，手機功率放大器必須能在高壓下應對10:1的電壓駐波比（VSWR），并能發(fā)送+28dBm（用于CDMA手機）到+35dBm（用于GSM手機）的信號。為了制造出滿足嚴格的手機技術(shù)要求的 SiGe 功率放大器，SiGe 半導體公司采用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。

　　采用SiGe技術(shù)的優(yōu)勢之一是提高集成度。設計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，從而為集成更多無線功能的提供令了潛力。例如，采用 SiGe技術(shù)，設計人員就可以將功率放大器和 RF 電路集成在一起，卻不會影響功率放大器的效率，從而延長手機電池的壽命。目前，采用SiGe技術(shù)推出射頻功率放大器的公司包括：SiGe半導體公司、Maxim、飛思卡爾、Atmel等公司。利用SiGe BiCMOS制造工藝進行代工的供應商主要是IBM以及臺積電（TSMC）。

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

　　本文總結(jié)

　　隨著多種無線通信標準在手持設備上的應用，只有進一步降低射頻功率放大器的功耗，才能延長便攜式設備的電池使用時間，從而獲得更加的用戶體驗。本文通過對射頻功率放大器所采用的三種主要工藝技術(shù)進行的簡要比較，指出未來的發(fā)展趨勢在于采用SiGe工藝技術(shù)來制造射頻功率放大器，這是無線電電子系統(tǒng)設計工程師需要關注的技術(shù)趨勢。