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一 簡介 這篇文章描述了使用ANADIGICS注冊專利的BiFET（雙極場效應管）工藝的HELP™ (High Efficiency at Low Power)技術的進展。同時介紹了 ANADIGICS 如何使用這項獨特工藝及HELP技術，可以比傳統技術減少70％的平均電流。 1 為什么需要HELP™ 功率放大器？ 消費者對數據和多媒體的需求促使全世界的電信運營商把2G網絡升級至3G 或以上的網絡。這種趨勢給了移動設備設計傳遞了很強烈的信號。 3G手機除了提供有競爭力的價格,還必須傳輸更高的功率，更優的線性度及更好的效率。最重要的是，3G手機必須有更長的通話時間，因為 3G 用戶需要耗費更多時間使用他們的手機。 盡管在過去幾年中，電池技術不斷改進，但是仍然落后于功能擴展的需求。設計者必須減少手機功耗來滿足高功率輸出和更長通話時間的需求,這必須靠手機的半導體設備上來實現。由于功率放大器 (PA) 是當前龐大需求的其中一個元件，著重于通過從功率控制來減少電流消耗是有非常意義的。 與此相對應，眾多的功率控制功能可以集成到功放模塊上。集成功率控制功能不僅僅強調當前功耗的問題，并提供了更有效的手機設計方法。芯片集成允許手機設計師不使用單獨的DC/DC轉換器和旁路電容,來優化功率管理和獲取更長的通話時間，同時降低PCB板的復雜性。 2 優化低功率級別的要求 控制功放功耗的一種方式是在較寬的輸出功率范圍內提高效率。這可以通過評估 CDG（CDMA Development Group）或者 GSMA（GSM Association）在 3G 網絡中的手機功率分布曲線圖,優化功放效率來實現。圖一為 3G 手機制造商使用的 GSMA的功率分布曲線。 圖一. 3G網絡的GSMA 功率分布曲線 顯而易見，手機大部分時間工作在低功率水平,大約在- 4dBm的功率級別。假設在 PA 和天線之間的電路損失大約為 3dB，那么 PA的輸出功率大約為- 1dBm。 在低功率級別（低于 0dBm）， 功放主要消耗的是靜態電流。- 1dBm輸出功率時,功放的靜態電流通常約為50mA。通過在低功率級別,減少靜態流提高功放效率，設計師可以大量的減少功率損耗。 然而直到最近，這都還不是可行的。用于手機的典型雙狀態的單增益鏈路PA的只能在最大額定功率下進行優化。這使得手機在低功率水平下工作時的效率很低。 當然，通過增加外部的 DC/DC 轉換器和偏置電壓控制可以優化單鏈路功放在低功率輸出時的效率，以達到增長通話時間。但是就像上面所提到的，一個 DC/DC轉換器也同時增加手機的尺寸及成本。此外，這將使設計變復雜，因為手機必須在不同的模擬控制狀態下進行校準。 BiFET 制程 – HELP™ 功率放大器工藝. ANADIGICS 的 InGap-Plus™ 技術1， 通過允許設計師使用多條增益鏈路來設計功放，解決了功放的優化問題。這使得功放在不同功率水平可以進行獨立的優化。 通常意義上所說的BiFET 過程， InGaP-Plus集成了 pHEMT（pseudomorphic High Electron Mobility FET）和 HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）在同一的晶體片上（圖2)。 圖 二. BiFET 工藝 通過高性能的射頻開關(pHEMT)和功放HBT共存在相同的晶體上，BiFET工藝可以用于設計多種增益鏈路的功放，并可以為每一增益鏈路進行獨立的線性度和效率優化。InGaP－Plus 使得設計師能夠獲取功放的最優性能。 HELP™ 功率放大器 – 使用 BiFET 制程 這項技術最初稱為HELP™ (High Efficiency at Low Power)，設計成一個雙狀態（高功率與低功率）功放。不像單鏈路放大器，它有兩個增益狀態， InGaP-Plus™功放可在內部對高功率和低功率進行優化。單一鏈路功放是不能做到的。 通過內部優化的HELP™ 功放可延長手機通話時間超過25%。當然，像單一鏈路功放一樣，可搭配一個外部 DC/DC轉換器節省更多電流。但是額外電流的節省是不值得的，相比增加的費用和電路板面積。 第一代使用BiFET 工藝的HELP™，設計成一個雙狀態功放. 這代功放的功效被優化為高功率增益（通常大約28dbm），及16dBm 的中等功率增益 (圖三). pHEMPT 開關 圖三: 集成在HELP™功放里的HBT及 pHEMPT 第二代HELP2™利用 BiFET 工藝在功放的晶體上集成了一個電壓調節器，這是按照主芯片制造商的要求設計的。相對之下，沒有 BiFET工藝的功放廠商，不得不在PA模塊中添加另外一個芯片來實現此功能，這種方法并不適合于縮小功放模塊的尺寸 第三代HELP3 ™（圖 4) 功放增加了一個第3級增益狀態，低功率模式，可以把電流降到7mA。和傳統技術相比，這將更進一步改善功放的功耗，可以減少65%的平均功秏。 最新的HELP4™（圖 4) 為低功率模式增加了一個低電流通路。與 HELP3™ 功放的 8mA靜態電流相比，HELP4™ 功放在低功率模式下的靜態電流為 ~ 3mA。和HELP3™相比，HELP4™ 的平均功耗可以降低20% ，和傳統功放相比，可降低高達 72% 的功耗（圖 5)。 圖四: HELP3 及HELP4 功放架構 圖五: HELP™ 工藝vs平均電流減少 HELP™ 功放的優勢相比競爭對手＂類似HELP技術”功放。 HELP™ 功放是基于ANADIGICS BiFET制程專利設計出的。在功放上集成開關技術在設計高效率功放方面有很多優點。集成的開關提供了足夠的隔離度在高功率和中/低功率模式間切換時，避免了任何電路震蕩的產生。因此允許設計者在不犧牲任何射頻性能下，獨立地優化高功率模式和中/低功率模式。其它的優點還包括，BiFET 制程可以集成LDO和其他功能在同一片晶圓上，這樣就即減少了功放模塊的尺寸又提供額外的功能。BiFET 技術還允許在功放晶圓片上，集成＂菊鏈狀” 耦合器。 此集成技術還有另一優勢：它使得制造商可將功放模塊更多功能設計于更小面積上。 ANADIGICS 現在提供業界第一個3x3mm 單頻和 3x5mm 雙頻WCDMA HELP3™功率放大器。 隨著手機制造商往低電壓邏輯電路演進，HELP4™ 技術可提供1.8V 邏輯電壓設計的功放。以BiFET制程技術完全可能完成所有WCDMA產品線。 二 結論 ANADIGICS 先進的 InGap-Plus™制程是HELP™ 功放技術的基礎。這項制程允許獨立的優化功放，使其在高，中及低功率模式中，達到最低的功耗。ANADIGICS 使用這項技術，提供業界第一個3mmx3 mm單頻和 3mmx5 mm 雙頻 WCDMA HELP3™ 功放，并同時將電路板上的諸多功能，集成于功放晶圓上，因此為客戶減少了BOM，成本及電路板的空間。 |
