提高射频功率放大器效率的技术比较 - 全文

在向着4G手机发展的过程中，便携式系统设计工程师将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，与此同时，要要支持100Mb/s～1Gb/s的数据率以及支持OFDMA调制、支持MIMO天线技术，乃至支持VoWLAN的组网，因此，在射频信号链设计的过程中，如何降低射频功率放大器的功耗及提升效率成为了半导体行业的竞争焦点之一。目前行业发展呈现三条技术路线，本文就这三条技术路线进行简要的比较。

　　利用超CMOS工艺 从提高集成度来间接提升PA效率

　　UltraCMOS采用了SOI技术，在绝缘的蓝宝石基片上淀积了一层很薄的硅。类似CMOS，UltraCMOS能够提供低功耗，较好的可制造性、可重复性以及可升级性，是一种易用的工艺，支持IP块的复用和更高的集成度。

　　与CMOS不同的是，UltraCMOS能够提供与在手机、射频和微波应用领域普遍使用的GaAs或SiGe技术相媲美甚至更好的性能。尽管UltraCMOS和pHEMT GaAs都能提供相同级别的小信号性能并具有相当的网格通态电阻，但是，UltraCMOS能够提供比GaAs或SiGe更优异的线性度和防静电放电（ESD）性能。

　　对于更复杂的应用，如最新的多模式、多频带手机，选择合适的工艺技术更为关键。例如，在这些应用中，天线必须能够覆盖800～2200MHz的频段，开关必须能管理多达8路的大功率射频信号，同时还必须具有低插损、高隔离度、极好的线性度和低功耗。适当的工艺技术能够改善技术选项的可用性，进而改善天线和射频开关的性能，最终改善器件的总体性能。更重要的是，如果工程师在整个设计中采用同一工艺技术，能够获取更高的集成度。

　　例如，Peregrine公司在UltraCMOS RFIC方面的最新进展是推出SP6T和SP7T天线开关。这些符合3GPP的开关满足WCDMA和GSM的要求，使得设计工程师可以在兼容WCDMA/GSM的手机中使用一套射频电路，并且实现业界领先的性能。SP6T和SP7T天线开关采用了Peregrine公司的HaR技术，实现了二次谐波为-85dBc、三次谐波为-83dBc、2.14GHz上的三阶交调失真（IMD3）为-111dBm这样的优异指标。

　　在手机设计中两个最耗电的部分就是基带处理器和射频前端。功率放大器（PA）消耗了射频前端中的绝大部分功率。实现低功耗的关键是使射频前端中的其他电路消耗尽可能少的功耗且不影响PA的工作。在目前所用的选择中，带解码器的GaAs开关吸纳的电流为600μA，但在典型的射频前端应用中，UltraCMOS SP7T开关只吸纳10μA的电流，因此，可以大幅降低射频前端的功耗，从而提高射频功率放大器的效率。

　　目前，采用CMOS工艺制造射频功率放大器的公司包括：英飞凌、飞思卡尔、Silicon Labs、Peregrine、Jazz半导体等公司。

　　利用InGaP工艺 实现功率放大器的低功耗和高效率

　　InGaP HBT（异结双极晶体管）技术的很多优点让它非常适合高频应用。InGaP HBT采用GaAs制成，而GaAs是RF领域用于制造RF IC的最常用的底层材料。原因在于：1. GaAs的电子迁移率比作为CMOS衬底材料的硅要高大约6倍；2. GaAs衬底是半绝缘的，而CMOS中的衬底则是传导性的。电子活迁移率越高，器件的工作频率越高。

　　半绝缘的GaAs衬底可以使IC上实现更好的信号绝缘，并采用损耗更低的无源元件。而如果衬底是传导性的话，就无法实现这一优势。在CMOS中，由于衬底具有较高的传导性，很难构建起功能型微波电路元件，例如高Q电感器和低损耗传导线等。这些困难虽然可以在一定程度上得到克服，但必须通过在IC装配中采用各种非标准的制程来能实现，而这会增加CMOS设备的制造成本。
nGaP特别适合要求相当高功率输出的高频应用。InGaP工艺的改进让产量得到了提高，并带来了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。这样既简化了系统设计，降低了原材料成本，也节省了板空间。有些InGaP PA也采用包含了CMOS控制电路的多芯片封装。如今，在接收端集成了PA和低噪音放大器（LNA）并结合了RF开关的前端WLAN模块已经可以采用精简型封装。例如，ANADIGICS公司提出的InGaP-Plus工艺可以在同一个InGaP芯片上集成双极晶体管和场效应晶体管。这一技术正被用于尺寸和PAE（功率增加效率）有所改进的新型CDMA和WCDMA功率放大器。

　　RF CMOS PA与GaAs PA的比较

　　当前，大部分手机PA都是采用GaAs和InGaP HBT技术，只有一小部分采用的是RF CMOS工艺制造。与GaAs器件相比，RF CMOS技术能够实现更高的集成度，而且成本也更低。

　　然而，并非所有消费电子产品的理想选择。例如无线网络和手机市场就被GaAs PA所统治，因为它可以支持高频率和高功率应用，而且效率很高。另一方面，RF CMOS PA则在蓝牙和ZigBee应用领域占据主导地位，因为它一般运行功率更低，而且性能要求没有那么苛刻。

　　目前，对于高性能PA应用，GaAs仍然是主要技术，只有它才能满足大部分高端手机和无线网络设备对性能的苛刻要求。在集成度方面，如果要集成进收发器、基带和PA，那么，就需要采用一种新的硅工艺。然而，业界在这方面的趋势是继续让PA和收发器彼此分开，采用不同的封装，并以GaAs来实现这样的集成。

　　SiGe有望超越GaAs工艺占据主流

　　SiGe BiCMOS 工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路（VLSI）行业中的所有新工艺技术兼容，包括绝缘体硅（SOI）技术和沟道隔离技术。随着击穿电压和高性能无源部件集成技术的发展，SiGe 正逐渐渗透至传统的GaAs领地—即手机功率放大器应用的领域。

　　一般来说，手机功率放大器必须能在高压下应对10:1的电压驻波比（VSWR），并能发送+28dBm（用于CDMA手机）到+35dBm（用于GSM手机）的信号。为了制造出满足严格的手机技术要求的 SiGe 功率放大器，SiGe 半导体公司采用fT为 30GHz 的主流 SiGe 工艺，着眼于抢占过去由GaAs功率放大器在击穿电压、线性性能、效率以及集成性能上所占有的优势。

　　采用SiGe技术的优势之一是提高集成度。设计人员可在功率放大器周围集成更多的控制电路，这样，最终的器件就更加节省空间，从而为集成更多无线功能的提供令了潜力。例如，采用 SiGe技术，设计人员就可以将功率放大器和 RF 电路集成在一起，却不会影响功率放大器的效率，从而延长手机电池的寿命。目前，采用SiGe技术推出射频功率放大器的公司包括：SiGe半导体公司、Maxim、飞思卡尔、Atmel等公司。利用SiGe BiCMOS制造工艺进行代工的供应商主要是IBM以及台积电（TSMC）。

　　如图1所示为可见，SiGe技术在射频器件上的应用已经跟RF CMOS技术相当，有理由相信，下一步目标就是超越GaAs技术而占据主流。

　　本文总结

　　随着多种无线通信标准在手持设备上的应用，只有进一步降低射频功率放大器的功耗，才能延长便携式设备的电池使用时间，从而获得更加的用户体验。本文通过对射频功率放大器所采用的三种主要工艺技术进行的简要比较，指出未来的发展趋势在于采用SiGe工艺技术来制造射频功率放大器，这是无线电电子系统设计工程师需要关注的技术趋势。