射頻功率放大器降低功耗提高效率技術的比較

2020-11-22 電子發燒友

射頻功率放大器降低功耗提高效率技術的比較

佚名 發表於 2017-11-24 10:02:03

在向著4G手機發展的過程中，可攜式系統設計工程師將面臨的最大挑戰是支持現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的數據率以及支持OFDMA調製、支持MIMO天線技術，乃至支持VoWLAN的組網，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成為了半導體行業的競爭焦點之一。目前行業發展呈現三條技術路線，本文就這三條技術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採用了SOI技術，在絕緣的藍寶石基片上澱積了一層很薄的矽。類似CMOS，UltraCMOS能夠提供低功耗，較好的可製造性、可重複性以及可升級性，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技術相媲美甚至更好的性能。儘管UltraCMOS和pHEMT GaAs都能提供相同級別的小信號性能並具有相當的網格通態電阻，但是，UltraCMOS能夠提供比GaAs或SiGe更優異的線性度和防靜電放電 （ESD）性能。

對於更複雜的應用，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。適當的工藝技術能夠改善技術選項的可用性，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採用同一工藝技術，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，並且實現業界領先的性能。SP6T和SP7T天線開關採用了Peregrine公司的HaR技術，實現了二次諧波為-85dBc、三次諧波為-83dBc、2.14GHz上的三階交調失真（IMD3）為-111dBm這樣的優異指標。

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。實現低功耗的關鍵是使射頻前端中的其他電路消耗儘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，採用CMOS工藝製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，實現功率放大器的低功耗和高效率

InGaP HBT（異結雙極電晶體）技術的很多優點讓它非常適合高頻應用。InGaP HBT採用GaAs製成，而GaAs是RF領域用於製造RF IC的最常用的底層材料。原因在於：1. GaAs的電子遷移率比作為CMOS襯底材料的矽要高大約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上實現更好的信號絕緣，並採用損耗更低的無源元件。而如果襯底是傳導性的話，就無法實現這一優勢。在CMOS中，由於襯底具有較高的傳導性，很難構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裝配中採用各種非標準的製程來能實現，而這會增加CMOS設備的製造成本。

nGaP特別適合要求相當高功率輸出的高頻應用。InGaP工藝的改進讓產量得到了提高，並帶來了更高程度的集成，使晶片可以集成更多功能。這樣既簡化了系統設計，降低了原材料成本，也節省了板空間。有些InGaP PA也採用包含了CMOS控制電路的多晶片封裝。如今，在接收端集成了PA和低噪音放大器（LNA）並結合了RF開關的前端WLAN模塊已經可以採用精簡型封裝。例如，ANADIGICS公司提出的InGaP-Plus工藝可以在同一個InGaP晶片上集成雙極電晶體和場效應電晶體。這一技術正被用於尺寸和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都是採用GaAs和InGaP HBT技術，只有一小部分採用的是RF CMOS工藝製造。與GaAs器件相比，RF CMOS技術能夠實現更高的集成度，而且成本也更低。

然而，並非所有消費電子產品的理想選擇。例如無線網絡和手機市場就被GaAs PA所統治，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應用領域佔據主導地位，因為它一般運行功率更低，而且性能要求沒有那麼苛刻。  
 

目前，對於高性能PA應用，GaAs仍然是主要技術，只有它才能滿足大部分高端手機和無線網絡設備對性能的苛刻要求。在集成度方面，如果要集成進收發器、基帶和PA，那麼，就需要採用一種新的矽工藝。然而，業界在這方面的趨勢是繼續讓PA和收發器彼此分開，採用不同的封裝，並以GaAs來實現這樣的集成。

SiGe有望超越GaAs工藝佔據主流

SiGe BiCMOS 工藝技術幾乎與矽半導體超大規模集成電路（VLSI）行業中的所有新工藝技術兼容，包括絕緣體矽（SOI）技術和溝道隔離技術。隨著擊穿電壓和高性能無源部件集成技術的發展，SiGe 正逐漸滲透至傳統的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），並能發送+28dBm（用於CDMA手機）到+35dBm（用於GSM手機）的信號。為了製造出滿足嚴格的手機技術要求的 SiGe 功率放大器，SiGe 半導體公司採用fT為 30GHz 的主流 SiGe 工藝，著眼於搶佔過去由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佔有的優勢。

採用SiGe技術的優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省空間，從而為集成更多無線功能的提供令了潛力。例如，採用 SiGe技術，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，採用SiGe技術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製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技術在射頻器件上的應用已經跟RF CMOS技術相當，有理由相信，下一步目標就是超越GaAs技術而佔據主流。

 

 

本文總結

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，才能延長可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採用的三種主要工藝技術進行的簡要比較，指出未來的發展趨勢在於採用SiGe工藝技術來製造射頻功率放大器，這是無線電電子系統設計工程師需要關注的技術趨勢。 

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