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手機(jī)、智能手機(jī)、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND)和MP3播放器等無(wú)線通信設(shè)備是現(xiàn)今最炙手可熱的消費(fèi)電子產(chǎn)品；而功率放大器(PA)則是這些設(shè)備中的關(guān)鍵組件。因此，PA的重要性及業(yè)界對(duì)之的關(guān)注均顯著增加。 一直以來(lái)，PA都是電子設(shè)備中的耗能大戶，大大縮短了移動(dòng)設(shè)備寶貴的電池壽命。例如，一個(gè)典型的WiMAX無(wú)線電設(shè)備中，基帶和收發(fā)器的功耗只有約600mW，而PA的功耗卻接近1.3W。 工程師在設(shè)計(jì)PA之前，有許多選擇供他們仔細(xì)考慮。設(shè)計(jì)工程師面臨的第一個(gè)問(wèn)題是：采用硅材料還是III-V族材料?本文將概述影響PA設(shè)計(jì)的一些重要問(wèn)題，并探討多種基本半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)，而這些技術(shù)將決定在硅和III-V族(砷化鎵，即GaAs)的爭(zhēng)戰(zhàn)中誰(shuí)將勝出。 電子行業(yè)日新月異，近來(lái)的許多技術(shù)革新都對(duì)PA設(shè)計(jì)有不可忽視的影響。采用了正交頻分復(fù)用(OFDM)方案的技術(shù)，如WiFi、WiMAX和LTE，為PA帶來(lái)了一些最具挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境。 這些應(yīng)用中采用的PA需要高線性度來(lái)滿足信噪比(SNR)目標(biāo)，同時(shí)還必須能夠處理與OFDM有關(guān)的高峰均功率比。 此外，基于 WiFi(802.11)和WiMAX(802.1)的標(biāo)準(zhǔn)是目前中國(guó)以及全球增長(zhǎng)最快的使用技術(shù)。因此，我們必須關(guān)注在低功耗(<1W)、高線性度OFDM PA應(yīng)用中，GaAs與硅的爭(zhēng)奪之戰(zhàn)。 不論P(yáng)A設(shè)計(jì)人員選擇了硅或GaAs，他們都需要進(jìn)一步選擇其它選項(xiàng)，而每個(gè)選項(xiàng)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)人員仔細(xì)權(quán)衡，以求滿足所設(shè)計(jì)應(yīng)用的特定要求。 譬如，在GaAs方面，有眾多設(shè)計(jì)選項(xiàng)，如： 1. GaAs HBT(基于雙極型) 2. GaAs pHEMT(基于前端FET技術(shù)) 3. GaAs BiFET(雙極型和多種FET技術(shù)的混合) 注： pHEMT=應(yīng)變型高電子遷移率晶體管 FET= 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 在硅方面，工程師可以采用以下技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)： 1. CMOS(基于FET) 2. SiGe BiCMOS(速度更高，雙極型和FET技術(shù)的混合) 目前，OFDM PA設(shè)計(jì)的技術(shù)選擇有GaAs HBT和SiGe BiCMOS。 迄今為止，GaAs一直廣泛用于OFDM，因?yàn)樗軌蛟谵D(zhuǎn)換頻率(fT)和擊穿電壓之間取得更好的權(quán)衡來(lái)提供大功率。 最近10年間，硅技術(shù)發(fā)展迅速，要選擇出具有主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)變得越來(lái)越困難。 直到幾年前，2GHz和/或50mW以上的器件都是采用GaAs來(lái)設(shè)計(jì)的；但今天，在接近1W的功率級(jí)，可以采用SiGe BiCMOS PA，甚至在10GHz頻率下，這些器件也能夠充分發(fā)揮其功能。 如果效率是你的PA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，GaAs技術(shù)將仍然能夠表現(xiàn)出最佳性能，尤其是在功率較大的情況下。此外，GaAs技術(shù)還具有更大的擊穿電壓，可以使PA設(shè)計(jì)更為穩(wěn)健。不過(guò)好消息是，業(yè)界已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了能夠保護(hù)擊穿電壓較低的硅器件的電路。 更復(fù)雜的是，對(duì)于容許較低輸出功率(小于15dBm)和相當(dāng)?shù)托?約10%)的應(yīng)用，集成式 CMOS PA正開(kāi)始成為2.4和5GHz的選項(xiàng)之一。 與“SiGe半導(dǎo)體公司”這個(gè)名字相反，我們其實(shí)同時(shí)采用GaAs和硅技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)PA，故能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師就每一種技術(shù)在特定應(yīng)用中的優(yōu)劣勢(shì)提供客觀公允的看法。 單一設(shè)備中使用多種無(wú)線電技術(shù) 目前，業(yè)界存在著多種不同的無(wú)線通信技術(shù)，這種局面常常導(dǎo)致在單個(gè)設(shè)備中有多個(gè)射頻器件同時(shí)工作。例如，在通話期間利用藍(lán)牙耳機(jī)時(shí)，藍(lán)牙和蜂窩必須同時(shí)工作。此外，在網(wǎng)絡(luò)切換期間，移動(dòng)設(shè)備上的WiMAX和蜂窩無(wú)線電會(huì)同時(shí)啟動(dòng)；當(dāng)GPS用于蜂窩電話上時(shí)，蜂窩和GPS也會(huì)同時(shí)啟動(dòng)。 圖1所示為一個(gè)雙模WiMAX/WCDMA無(wú)線電典型實(shí)例。在該例中，一個(gè)WCDMA 子卡位于一個(gè)WiMAX模塊之上，而且二者非常接近。如果WiMAX和WCDMA無(wú)線電必須同時(shí)工作(在網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)需要)，則必須注意確保二者間互不干擾。 
圖1：雙模WCDMA/WiMAX無(wú)線電。(WiMAX模塊、WCDMA子卡、) 你可能會(huì)問(wèn)這與PA有什么關(guān)系？因?yàn)閃CDMA和WiMAX的工作頻率并不一樣，所以我們也許可以假定，即使兩個(gè)無(wú)線電同時(shí)工作，也不會(huì)產(chǎn)生任何問(wèn)題。 然而，實(shí)際情況并非如此。一個(gè)無(wú)線電在另一個(gè)無(wú)線電的通帶內(nèi)所發(fā)出的噪聲，在接收器端是無(wú)法被過(guò)濾掉的，而且更會(huì)降低受害接收器的靈敏度。當(dāng)兩個(gè)無(wú)線電被配置在同一個(gè)設(shè)備中時(shí)，這個(gè)問(wèn)題最為明顯(見(jiàn)圖1)，因?yàn)橐粋�(gè)無(wú)線電發(fā)出的信號(hào)會(huì)毫無(wú)衰減地到達(dá)另一個(gè)無(wú)線電的接收器。 為闡明這一技術(shù)挑戰(zhàn)，讓我們考慮下面的情形： 我們有一WiMAX無(wú)線電，工作頻率為2.5到2.7GHz；而發(fā)射功率為 23dBm；以及一個(gè)會(huì)受影響的WCDMA無(wú)線電，其接收信號(hào)頻率為2.17GHz。我們希望能確定WCDMA無(wú)線電的噪聲容限，并由此得知其靈敏度，以測(cè)出最小信號(hào)，并確保WiMAX無(wú)線電工作時(shí)不會(huì)因任何小于0.1dB的信號(hào)而受損。 WCDMA的信道帶寬為 3.84MHz；而要編碼CDMA信號(hào)則需要117dBm的靈敏度。假設(shè)編碼增益為21dB(128位芯片代碼長(zhǎng)度)，則靈敏度為 -96dBm/3.84MHz，或-161.8dBm/Hz。 基于此，WCDMA天線的噪聲必須低于 -170.9dBm/Hz，使靈敏度只減小0.1dB(-178.1dBm+ -161.8dBm，結(jié)果是-161.7dBm的凈噪聲)。 當(dāng)然，隨信號(hào)從WiMAX Tx天線傳輸?shù)絎CDMA Rx天線，WiMAX PA發(fā)出的噪聲功率會(huì)減小。不過(guò)，由于兩個(gè)無(wú)線電靠得非常近，天線之間的隔離最多只能在20dB左右，因此WiMAX無(wú)線電的輸出噪聲必須低于 -150.9dBm/Hz。 計(jì)算出WiMAX無(wú)線電的輸出噪聲目標(biāo)后，我們就可以考慮PA設(shè)計(jì)所牽涉的范圍了。假設(shè)PA的輸入噪聲在噪聲基底(-174dBm/Hz)上，PA在2.17GHz時(shí)的增益30dB，噪聲系數(shù)5dB。那么，PA的凈噪聲將為 -174+30+5=-139dBm/Hz，而且，為使WCDMAPA的靈敏度只減小0.1dB，需要2170MHz/12dB的額外濾波。 這樣看來(lái)，濾波器的最佳位置似乎是直接跟在PA后面。然而，這種做法不值得推薦，因?yàn)镻A之后的任何損耗都將導(dǎo)致顯著的額外功耗，而這種功耗將以熱的形式耗散。其次，濾波器損耗的影響會(huì)隨輸出功率的增加而更嚴(yán)重。例如，假設(shè)共存濾波器有1.5dB的損耗，PA的效率為20%(表1顯示了不同輸出功率下，該濾波器對(duì)功耗和PA凈效率的影響)。對(duì)于18dBm的輸出功率，1.5dB的濾波器損耗會(huì)造成大約130mW的額外DC功耗，其中一部分在濾波器中消耗 (26mW)，剩下的大部分(104mW)都是PA消耗的。PA必須增大1.5dB才能克服濾波器的損耗。當(dāng)發(fā)射功率為23dBm時(shí)，增加濾波器會(huì)增加 411mW的功耗。在26dBm時(shí)，功耗增加821mW。若是把濾波器放在PA后面，則可能導(dǎo)致嚴(yán)重的能量損耗(尤其是在輸出功率較高時(shí))，縮短電池壽命。此外，因?yàn)镻A必須做得比較大才能克服濾波器損耗，所以成本也會(huì)增加。同時(shí)，還有一點(diǎn)需注意的，即在每一個(gè)輸出功率下，1.5dB的后置PA損耗都會(huì)使PA效率降低相同數(shù)量，從20%到大約14.2%。 表1：后置PA損耗對(duì)功耗的影響。(想要得到的輸出功率、后置PA共存濾波器損耗、所需輸出功耗、PA功耗(假設(shè)無(wú)后置PA損耗)、實(shí)際PA功耗、額外的功耗、PAE凈值)
設(shè)計(jì)工程師的目標(biāo)如果不是降低功耗，則最好不要把共存濾波器放在PA之后，但也不能放在PA之前，因?yàn)榇蟛糠衷肼晫?shí)際上都是在PA內(nèi)產(chǎn)生的。要獲得最佳性能，濾波器的最佳位置是放在PA級(jí)之間，在 PA芯片內(nèi)。 這樣，產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：即哪一種技術(shù)最適合于實(shí)現(xiàn)集成式濾波器。最初，基于GaAs的半導(dǎo)體技術(shù)頗具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闊o(wú)源器件的基板損耗較低，可獲得“更高的Q”(系統(tǒng)振蕩頻率與能量消耗速度之比)。然而，前面提及的硅工藝不斷演進(jìn)發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以在絕緣二氧化硅 (SiO2)上制作無(wú)源器件了，而且其性能還可媲美在更低損耗的GaAs基板上制作的器件。 不過(guò)，還有另一個(gè)必須額外考慮的事項(xiàng)。 在調(diào)諧領(lǐng)域，數(shù)字控制線路的運(yùn)用為硅技術(shù)提供了一大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前的半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)存在著容限，難以把無(wú)源器件的電容電感，控制到能滿足要求嚴(yán)苛的共存濾波器所需的精度。這意味著需要對(duì)器件進(jìn)行某些形式的后生產(chǎn)調(diào)諧，來(lái)滿足共存濾波器的要求。SiGe BiCMOS或Si-CMOS技術(shù)能夠把模擬或數(shù)字控制集成在調(diào)諧銳截止濾波器(sharp filter)中。 數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真(DAPD)技術(shù)的開(kāi)發(fā) 按照摩爾定律，隨著數(shù)字硬件的價(jià)格不斷下降，數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真(DAPD)校正技術(shù)的成本也會(huì)逐年降低，變得越來(lái)越具吸引力。 在一個(gè)DAPD系統(tǒng)中(如圖2所示)，PA的輸出被采樣，下行轉(zhuǎn)換到基帶，然后與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。系統(tǒng)會(huì)對(duì)由功放所造成的相位和振幅失真進(jìn)行檢測(cè)，然后調(diào)節(jié)基帶信號(hào)，以準(zhǔn)確抵消這些失真。這種技術(shù)可以提高PA的總體效率。 預(yù)失真的代價(jià)不僅僅是成本方面的。RF輸出信號(hào)的下行轉(zhuǎn)換以及信號(hào)處理的執(zhí)行都會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。設(shè)計(jì)工程師必須一直確保效率提高的優(yōu)勢(shì)，能夠彌補(bǔ)實(shí)現(xiàn)這些額外功能性所需的成本代價(jià)。查找表往往極少更新，而DAPD模塊大多數(shù)時(shí)間都是關(guān)斷的，這意味著DAPD的使用一般對(duì)材料清單的影響可忽略不計(jì)。
圖2：數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真系統(tǒng)的模塊示意圖。(基帶、調(diào)制器、查找表、查找表更新、基帶波包、RF 輸出) 業(yè)界公認(rèn)，當(dāng)DAPD與高度非線性技術(shù)開(kāi)發(fā)的PA配合使用時(shí)，可發(fā)揮最大的作用。預(yù)失真器所需的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于放大器的功率，故較大的放大器也同樣受到影響。例如，集成式CMOS PA現(xiàn)已開(kāi)始整合在低功率WiFi 手機(jī)中，這些 CMOS PA的fT 非常低，需要在極高的電流密度下工作才能獲得所需的線性度，來(lái)滿足WiFi EVM規(guī)范要求。若這些器件在較低電流下工作，它們會(huì)變得高度非線性，這時(shí)，采用了集成式CMOS PA的WiFi設(shè)備必須使用DAPD。但即使是使用了預(yù)失真技術(shù)，集成式CMOS PA的效率也相當(dāng)?shù)�，一般小�?0%。不過(guò)，由于這些器件都在較低的輸出功率下(通常小于40mW)工作，因此效率不是那么重要，DAPD已能確保足夠的線性度。 GaAs和SiGe晶體管的固有線性特征減少了對(duì)預(yù)失真的需求，可以用作CMOS的替代方案。不過(guò)，要注意的是，預(yù)失真還可改善誤差向量幅度(EVM)和頻譜模板(spectral mask)，因此能夠提高性能。 要優(yōu)化帶DAPD的PA 的性能，最好是按最大效率而非最大線性度來(lái)設(shè)計(jì)。此外，通過(guò)優(yōu)化反饋，設(shè)計(jì)工程師能夠調(diào)節(jié)預(yù)失真以進(jìn)一步校正EVM或頻譜模板。在某些情況下，比如當(dāng)輸出功率增加導(dǎo)致WiFi PA模板特性大幅受限時(shí)，因?yàn)閹獍l(fā)射(out-of-band emission)的限制規(guī)定了最大絕對(duì)發(fā)射級(jí)別，所以這是十分重要的。這方面還有其它一些系統(tǒng)，比如日本新推出的xgPHS，采用了256QAM調(diào)制，需要工程師針對(duì)EVM校正來(lái)優(yōu)化DAPD。 對(duì)DAPD來(lái)說(shuō)，不存在什么優(yōu)選技術(shù)。至于GaAs或BiCMOS PA，預(yù)失真不是必須的，但它有助于提高效率，尤其是在輸出功率較高時(shí)。 對(duì)于CMOS PA，因?yàn)檫@種技術(shù)的效率相當(dāng)?shù)�，所以預(yù)失真卻是一項(xiàng)必備要求。 耗電量最小化 PA 一般是根據(jù)額定輸出功率下的耗電量來(lái)標(biāo)注的，而功率附加效率(PAE)則通常在全功率下定義。當(dāng)輸出功率降低時(shí)，從PA流出的電流也隨之而降低。但流出的電流與輸出功率并不成線性關(guān)系，例如，如果輸出功率降低50%(3dB)，電流一般只減小20%左右。 此外，當(dāng)輸出功率回退近零時(shí)，因PA的偏置電流之故，電流不會(huì)降為零，而是在PA靜態(tài)電流(Icq)處達(dá)到飽和。 在許多應(yīng)用中，靜態(tài)電流無(wú)關(guān)緊要。譬如，若PA在最大功率附近工作時(shí)，只要它發(fā)射功率，就會(huì)產(chǎn)生功耗，這時(shí)回退不重要，且靜態(tài)電流(Icq)也變得不相關(guān)。 802.11 WiFi PA就是這樣的典型例子。當(dāng)數(shù)據(jù)被發(fā)射時(shí)，PA啟動(dòng)，并一直在最大功率下工作，但在發(fā)射脈沖之間，它則被禁用，并同樣只消耗泄漏電流。 如果一個(gè)PA是針對(duì)廣大范圍的發(fā)射功率而設(shè)計(jì)的，則回退功率級(jí)下的功耗和Icq變得十分重要。這一點(diǎn)在CDMA和WiMAX PA中顯然可見(jiàn)。WiMAX需要45dB的最小發(fā)射動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)楣β士刂剖钦麄�(gè)網(wǎng)絡(luò)固有的。(圖3顯示了CDMA和WiMAX網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)設(shè)備可能的發(fā)射功率分布)。對(duì)于CDMA，由圖可看出，手機(jī)主要在-4dBm下發(fā)射，極少在最大功率下發(fā)射。 對(duì)于WiMAX，手機(jī)主要在 10dBm左右下發(fā)射，正如CDMA設(shè)備很少在最大功率下發(fā)射。此圖還標(biāo)示了一個(gè)典型PA的耗電量與輸出功率的關(guān)系。由于PA最常在低功率下發(fā)射，因此可看出盡量減小較低輸出功率下的耗電量以盡可能延長(zhǎng)電池壽命的重要性。
圖3：CDMA和WiMAX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)射功率分布。(輸出功率分布、發(fā)生概率、電流、輸出功率、電流消耗) 至于在回退功率下能否獲得高效率，不同技術(shù)之間沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)差異──它們?nèi)枷喈?dāng)差。例如，典型WiMAX PA的Icq為100mA。如果我們假設(shè)PA在0dBm功率時(shí)電流為Icq，則功耗為330mW，且在0dBm輸出功率下效率只有0.3%；另一方面，在滿額定功率下它的效率約為20%。 低輸出功率下的功耗降低技術(shù) 一項(xiàng)可減小低輸出功率下功耗的有效技術(shù)，是在低輸出功率下使輸出級(jí)旁路，把RF能量發(fā)送到末級(jí)周圍。輸出級(jí)是最大的級(jí)，吸取電流最多。因?yàn)檩敵黾?jí)被旁路時(shí)無(wú)耗電，故這項(xiàng)技術(shù)能夠降低增益，顯著減少PA的電流。 開(kāi)關(guān)是實(shí)現(xiàn)輸出級(jí)旁路最受歡迎的方法。其中最常用的是帶有FET開(kāi)關(guān)的技術(shù)，因?yàn)檫@些器件的損耗低得多，并且線性度更好。因此，pHEMT或GaAs BiFET工藝都是很好的選擇。SiGe BiCMOS工藝也十分適合于開(kāi)發(fā)低靜態(tài)電流器件。目前的絕緣體上硅(SOI)技術(shù)可以創(chuàng)建出媲美GaAs開(kāi)關(guān)的SOI開(kāi)關(guān)。 利用GaAs HBT或CMOS技術(shù)來(lái)制造高效開(kāi)關(guān)就要困難得多，因此這些技術(shù)通常不適合作為超低靜態(tài)電流的輸出級(jí)旁路方案。 PA與泄漏電流 如果無(wú)線系統(tǒng)中沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)射，PA會(huì)被禁用，而在理想情況下，這時(shí)是完全無(wú)功耗的。然而，除非開(kāi)關(guān)與驅(qū)動(dòng)PA的電源串聯(lián)(但由于成本、尺寸和功耗的原因，這種方案不可取)，PA將總是讓供電電壓加載在集電極(雙極型器件)或漏極(FET器件)上。在實(shí)際情況中，雖然PA是“關(guān)斷的”，但仍總是有少量的泄漏電流流過(guò)。這個(gè)泄漏電流屬于一種寄生電池泄漏，會(huì)縮短移動(dòng)設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。對(duì)手機(jī)這類待機(jī)時(shí)間至關(guān)重要的設(shè)備而言，低泄漏電流常常是一項(xiàng)必不可少的嚴(yán)格要求。 在前面已討論過(guò)的技術(shù)中，大多數(shù)都可以用來(lái)解決滿足低泄漏要求的技術(shù)難題。GaAs HBT、SiGe HBT和CMOS PA都能夠?qū)崿F(xiàn)低泄漏電流，泄漏電流一般在10μA之下。 鑒于其技術(shù)特性，一般來(lái)說(shuō)，pHEMT PA的泄漏電流大于其它技術(shù)制造的PA。從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，pHEMT的柵極看起來(lái)像一個(gè)二極管，所以閾值電壓必須相當(dāng)?shù)?大大小于二極管的電壓降)。因此，通過(guò)柵極加載0V，可能產(chǎn)生可測(cè)量的泄漏電流。其它技術(shù)則帶有絕緣柵，故閾值電壓較高，泄漏電流因此而小得多。 移動(dòng)電話生產(chǎn)商不斷努力地減少會(huì)使電池耗盡、待機(jī)時(shí)間縮短的組件。pHEMT器件泄漏電流大的缺點(diǎn)常常被指為pHEMT技術(shù)未獲移動(dòng)設(shè)備采用的理由。但事實(shí)上，它們對(duì)移動(dòng)設(shè)備待機(jī)時(shí)間的影響極小。一個(gè)處于關(guān)斷狀態(tài)、有100uA泄漏電流的pHEMT PA一般要10000個(gè)小時(shí) (417天)才會(huì)耗盡一個(gè)普通的1000mA-hr電池。 不過(guò)，雖然GaAs pHEMT泄漏電流上的缺陷使其不常用于移動(dòng)電話這類待機(jī)時(shí)間非常重要的設(shè)備，但它們?nèi)匀皇窍ド闲碗娔X等設(shè)備的不錯(cuò)選擇。 前端IC的集成和開(kāi)發(fā) 智能電話是移動(dòng)電子設(shè)備市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品之一。這些設(shè)備結(jié)合了雙頻帶WiFi、多頻帶蜂窩、 GPS、FM和藍(lán)牙等無(wú)線電器件，在市場(chǎng)迅速流行開(kāi)來(lái)，但在一定的外形尺寸中集成所有功能也變得越來(lái)越困難了。RF前端包含了收發(fā)器和天線之間的所有組件，有助于大幅減小占位面積。RF前端供應(yīng)商為此努力不懈，通信設(shè)備中RF前端組件的尺寸一直在不斷縮小。 圖4的時(shí)間線清楚顯示了RF前端模塊的集成度演進(jìn)及其占位面積縮小的趨勢(shì)。 2002 年：RF前端模塊包含了與眾多分立式器件不匹配的PA，占位面積16x18mm。 2005年：前端層壓板模塊集成了分立式表面安裝組件用于匹配，占位面積8x7mm。 2007年：許多分立式匹配組件被集成式無(wú)源器件所取代，后者提供的功能性相同，但無(wú)需層壓板，占位面積 4x4mm。 這種集成度演進(jìn)模式在硅IC的發(fā)展歷程中屢見(jiàn)不鮮，被稱為“計(jì)算器”(calculator)范例。按此規(guī)律，下一步就應(yīng)該是前端集成電路(FEIC)的開(kāi)發(fā)，如本圖最后兩張圖片所示，其外形尺寸可小至3x3mm。FEIC提供把PA、LNA、開(kāi)關(guān)和濾波器都集成在單個(gè)芯片上的可能。
圖4：WLAN無(wú)線電設(shè)備RF前端模塊尺寸的演進(jìn)趨勢(shì)。(不匹配的PA、前端模塊、前端 IC) GaAs pHEMT和BiFET技術(shù)可用于制作性能出色的LNA、PA和開(kāi)關(guān)，故也非常適合于FEIC。 如上所述，從最初的考慮來(lái)看，SiGe BiCMOS工藝似乎并非最佳選擇，因?yàn)槔眠@種技術(shù)很難制造出高質(zhì)量低損耗的開(kāi)關(guān)。不過(guò)，隨著近年來(lái)絕緣體上硅(SOI)技術(shù)的發(fā)展，市面上已有性能可媲美GaAs開(kāi)關(guān)的SOI開(kāi)關(guān)。因此，SiGe BiCMOS工藝也成為一種非常適合于FEIC開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，而且我們預(yù)期這一領(lǐng)域?qū)⒂写蠓鲩L(zhǎng)。事實(shí)上，當(dāng)考慮到在同一個(gè)芯片上集成電池管理電路時(shí)，SiGe BiCMOS平臺(tái)甚至更具吸引力。 總言之，對(duì)于前端IC的開(kāi)發(fā)，CMOS和GaAsHBT不適合，而GaAs pHEMT和BiFET工藝以及結(jié)合了SOI技術(shù)的SiGe BiCMOS工藝，卻都是上佳之選。 串行接口控制PA可望推動(dòng)PA工作發(fā)生革命性變化 PA歷來(lái)是獨(dú)立式組件。即使在今天，大多數(shù)PA也只利用單個(gè)模擬選通信號(hào)來(lái)控制，故常常需要精度調(diào)節(jié)器。RF前端模塊中，功放、低噪放大器和開(kāi)關(guān)都集成于單封裝器件中，故把控制信號(hào)從基帶芯片發(fā)送到RF模塊可能非常困難，特別是在多頻帶和多PA MIMO技術(shù)出現(xiàn)之后。例如，一個(gè)802.11abg MIMO無(wú)線電設(shè)備需要兩個(gè)5GHz PA、兩個(gè)5GHz LNA、兩個(gè)2.4GHz PA、兩個(gè)2.4GHz LNA、若干濾波器和Rx/Tx開(kāi)關(guān)，其中每一個(gè)器件都必須單獨(dú)控制。 目前的新興趨勢(shì)是利用串行接口來(lái)控制PA和/或RF前端模塊內(nèi)的組件。受串行接口控制的PA有可能徹底改變PA的工作方式，使數(shù)字接口向天線更靠近一步。在前端模塊的復(fù)雜環(huán)境中，串行接口能夠減少或去掉控制線路，大大簡(jiǎn)化從BB芯片出來(lái)的布線。此外，設(shè)計(jì)工程師還能夠利用串行接口直接通過(guò)串行總線報(bào)告溫度及檢測(cè)器電壓，以減少引腳數(shù)目，而且BB芯片上也無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換器。 串行接口首選硅工藝，比如CMOS和SiGe BiCMOS。GaAs工藝都缺乏互補(bǔ)器件(pFET或PNP晶體管)，因此不可能實(shí)現(xiàn)重要的邏輯或邏輯控制，比如GaAs芯片上的真值表。因此，基于 HBT、BiFET或pHEMT的器件都需要一個(gè)額外的CMOS邏輯芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)串行接口。 如果PA或RF前端的串行接口控制對(duì)你的設(shè)計(jì)很重要，那么合理的選擇就是CMOS或SiGe BiCMOS工藝。 總結(jié) 近年來(lái)，PA的設(shè)計(jì)受到了眾多重要問(wèn)題的影響。本文總結(jié)了若干新問(wèn)題，并概述了每一個(gè)問(wèn)題是如何對(duì)PA的技術(shù)選擇產(chǎn)生影響的，尤其是一些與OFDM調(diào)制一起使用的技術(shù)。CMOS PA適合于較低的輸出功率，并需要采用數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)來(lái)獲得工作所需的線性度。 一直以來(lái)，高功率和高頻PA都是采用GaAs HBT技術(shù)，但現(xiàn)在，高性能SiGe BiCMOS 功放開(kāi)始與之有力抗衡。可串行接口控制和高集成度前端IC開(kāi)發(fā)的數(shù)字邏輯器件的面世，對(duì)這種趨勢(shì)起了強(qiáng)勁的推動(dòng)作用。因此，GaAs HBT和GaAs pHEMT PA將用于更高的功率級(jí)和更為特別的應(yīng)用。 作者：SiGe半導(dǎo)體公司首席技術(shù)官Peter Gammel博士 |
