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手机射频功率放大器可降低功耗并提高效率

来源:互联网
在迈向4G移动电话的过程中,便携式系统设计工程师面临的最大挑战是支持现有的多种移动通信标准,包括GSM,GPRS,EDGE,UMTS,WCDMA 和HSDPA,同时支持100Mb/s到1Gb/s的数据速率和支持OFDMA调制,支持MIMO天线技术,甚至支持VoWLAN网络,因此,在射频信号链设计过程中,如何降低功耗,提高射频功率放大器的效率半导体行业竞争的焦点之一。目前,行业发展呈现三条技术路线。本文对这三种技术路线进行了简要比较。

利用超CMOS工艺,从提高集成度来间接提升PA效率

UltraCMOS使用SOI技术在绝缘蓝宝石衬底上沉积薄硅层。与CMOS一样,UltraCMOS具有低功耗,良好的可制造性,可重复性和可扩展性。这是一个易于使用的过程,支持IP块多路复用和更高的集成。

与CMOS不同,UltraCMOS提供与手机,射频和微波应用中常用的GaAs 或SiGe技术相当甚至更好的性能。虽然UltraCMOS和pHEMT  GaAs均具有相同水平的小信号性能和相当的栅极导通电阻,但UltraCMOS可提供优于GaAs或SiGe的线性度和ESD性能。

对于更复杂的应用,例如最新的多模式,多频段手机,选择合适的技术更为重要。例如,在这些应用中,天线必须能够覆盖800至2200 MHz频段,并且开关必须能够管理多达8个高功率RF信号,同时还具有低插入损耗,高隔离度,出色的线性度,功耗低。适当的工艺技术可以提高技术选择的可用性,从而提高天线和RF开关的性能,最终提高器件的整体性能。更重要的是,如果工程师在整个设计中使用相同的工艺技术,他们可以实现更高的集成度。

例如,Peregrine在UltraCMOS  RFIC中的最新进展是引入了SP6T和SP7T天线开关。这些符合3GPP标准的交换机符合WCDMA和GSM要求,使设计工程师能够在兼容  WCDMA/GSM的手机中使用一组RF电路,并实现业界领先的性能。 SP6T和SP7T天线开关采用Peregrine的HaR技术,二次谐波的指数为-85dBc,三次谐波为-83dBc,2.14GHz的三阶互调失真(IMD3)为-111dBm。

手机设计中最耗电的两个部分是基带处理器和射频前端。功率放大器(PA)消耗RF前端的大部分功率。实现低功耗的关键是使RF前端中的其他电路消耗尽可能少的功率而不影响PA的操作。在当前选择中,带解码器的GaAs开关吸收 600μA,但在典型的RF前端应用中,UltraCMOS  SP7T开关仅下降10μA,从而显着降低了RF前端的功耗。从而提高了RF功率放大器的效率。

使用CMOS技术制造RF功率放大器的公司包括Infineon,Freescale,Silicon  Labs,Peregrine和Jazz Semiconductor。

利用InGaP工艺,实现功率放大器的低功耗和高效率

InGaP  HBT(超结双极晶体管)技术的众多优势使其成为高频应用的理想选择。 InGaP  HBT由GaAs制成,GaAs是RF场中用于制造RF  IC的最常用的基础材料。原因是:1。  GaAs电子迁移率比硅作为CMOS衬底材料高约6倍; 2.  GaAs衬底是半绝缘的,而CMOS衬底是导电的。实时移动性越高,设备的工作频率越高。

半绝缘GaAs衬底可以在IC上实现更好的信号隔离,并使用更少的无源元件。如果基板是导电的,则不能实现该优点。在CMOS中,由于衬底的高导电性,难以构造功能性微波电路部件,例如高Q电感器和低损耗导电线。尽管可以在一定程度上克服这些困难,但必须通过在IC组装中使用各种非标准工艺来实现这些困难,这将增加CMOS器件的制造成本。

nGaP特别适用于需要相当高功率输出的高频应用。 InGaP工艺的改进带来了更高的产量和更高的集成度,使芯片能够集成更多功能。这简化了系统设计,降低了原材料成本并节省了电路板空间。一些InGaP 功率放大器也使用包含CMOS控制电路的多芯片封装。如今,接收端集成了PA和低噪声放大器(LNA)的前端WLAN模块与RF开关相结合,采用紧凑型封装。例如,ANADIGICS提出的InGaP-Plus工艺可以将双极晶体管和场效应晶体管集成在同一个InGaP芯片上。该技术正用于新的CDMA和WCDMA功率放大器,具有改进的尺寸和PAE(功率增加效率)。

RF CMOS PA与GaAs PA的比较

目前,大多数手机功率放大器使用GaAs和InGaP  HBT技术,只有一小部分采用RF  CMOS工艺制造。与GaAs器件相比,RF  CMOS技术可实现更高的集成度和更低的成本。

但是,它并不适用于所有消费类电子产品。例如,无线网络和移动电话市场由GaAs  PA主导,因为它可以支持高频和高功率应用,并且效率很高。另一方面,RF  CMOS  PA在蓝牙和ZigBee应用中占主导地位,因为它通常以较低的功耗运行,性能要求较低。

目前,对于高性能PA应用,GaAs仍然是主要技术,只有它能够满足大多数高端手机和无线网络设备的苛刻性能要求。在集成方面,如果要集成到收发器,基带和PA中,则需要新的硅工艺。然而,业界在这方面的趋势是继续使用不同封装将PA和收发器彼此分离,并在GaAs中实现这种集成。

SiGe有望超越GaAs工艺占据主流

SiGe  BiCMOS 工艺技术几乎兼容硅半导体VLSI行业的所有新工艺技术,包括绝缘体上硅(SOI)技术和沟槽隔离技术。随着击穿电压和高性能无源元件集成技术的发展,SiGe 逐渐渗透到传统的GaAs领域 - 移动功率放大器应用领域。

一般来说,移动电话功率放大器必须能够在高电压下处理10: 1的电压驻波比(VSWR),并且可以将信号从+28 dBm(对于CDMA手机)传输到+35 dBm(对于GSM手机) 。为了创建满足严格手机技术要求的  SiGe 功率放大器,SiGe 半导体采用主流  SiGe 工艺,fT为  30GHz ,以期抢占GaAs功率放大器的击穿电压,线性度和效率。和集成性能的优势。

使用SiGe技术的一个优点是增加集成度。设计人员可以在功率放大器周围集成更多控制电路,从而节省最终设备的空间,从而有可能集成更多无线功能。例如,采用  SiGe技术,设计人员可以将功率放大器与  RF 电路集成,而不会影响功率放大器的效率,从而延长手机电池的使用寿命。目前,使用SiGe技术引入RF功率放大器的公司包括:SiGe半导体,  Maxim,Freescale,Atmel等。使用SiGe  BiCMOS制造工艺制造晶圆代工厂的供应商主要是IBM和台积电。

如图1所示,SiGe技术在RF器件中的应用与RF  CMOS技术相当。有理由相信下一步是超越GaAs技术并占据主流。

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本文总结

本文通过对射频功率放大器三种主要工艺技术的简要比较,指出未来的发展趋势是利用SiGe工艺技术制造射频功率放大器,这是无线电系统的技术趋势。设计工程师应该注意。

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