中心議題：

• 提高RF_PA效率的技術比較

解決方案：

• 利用超CMOS工藝
• 利用InGaP工藝
• 采用SiGe技術

在向著4G手機發展的過程中，便攜式係統設計工程師將麵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xin號hao鏈lian設she計ji的de過guo程cheng中zhong，如ru何he降jiang低di射she頻pin功gong率lv放fang大da器qi的de功gong耗hao及ji提ti升sheng效xiao率lv成cheng為wei了le半ban導dao體ti行xing業ye的de競jing爭zheng焦jiao點dian之zhi一yi。目mu前qian行xing業ye發fa展zhan呈cheng現xian三san條tiao技ji術shu路lu線xian
，本ben文wen就jiu這zhe三san條tiao技ji術shu路lu線xian進jin行xing簡jian要yao的de比bi較jiao。

利用超CMOS工藝，從提高集成度來間接提升PA效率

UltraCMOS采用了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塊的複用和更高的集成度。

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。盡管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ji好hao的de線xian性xing度du和he低di功gong耗hao。適shi當dang的de工gong藝yi技ji術shu能neng夠gou改gai善shan技ji術shu選xuan項xiang的de可ke用yong性xing，進jin而er改gai善shan天tian線xian和he射she頻pin開kai關guan的de性xing能neng
，最zui終zhong改gai善shan器qi件jian的de總zong體ti性xing能neng。更geng重zhong要yao的de是shi，如ru果guo工gong程cheng師shi在zai整zheng個ge設she計ji中zhong采cai用yong同tong一yi工gong藝yi技ji術shu，能neng夠gou獲huo取qu更geng高gao的de集ji成cheng度du。

例如
，Peregrine公司在UltraCMOS RFIC方麵的最新進展是推出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天線開關采用了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盡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開關隻吸納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，采用CMOS工藝製造射頻功率放大器的公司包括：英飛淩、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(異結雙極晶體管)技術的很多優點讓它非常適合高頻應用。InGaP HBT采用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
，並采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裝配中采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(gong)藝(yi)的(de)改(gai)進(jin)讓(rang)產(chan)量(liang)得(de)到(dao)了(le)提(ti)高(gao)，並(bing)帶(dai)來(lai)了(le)更(geng)高(gao)程(cheng)度(du)的(de)集(ji)成(cheng)，使(shi)芯(xin)片(pian)可(ke)以(yi)集(ji)成(cheng)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng)。這(zhe)樣(yang)既(ji)簡(jian)化(hua)了(le)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)，降(jiang)低(di)了(le)原(yuan)材(cai)料(liao)成(cheng)本(ben)，也(ye)節(jie)省(sheng)了(le)板(ban)空(kong)間(jian)。有(you)些(xie)InGaP PA也采用包含了CMOS控製電路的多芯片封裝。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模塊已經可以采用精簡型封裝。例如，ANADIGICS公司提出的InGaP-Plus工藝可以在同一個InGaP芯片上集成雙極晶體管和場效應晶體管。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。
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RF CMOS PA與GaAs PA的比較
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當前，大部分手機PA都是采用GaAs和InGaP HBT技術，隻有一小部分采用的是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。另一方麵
，RF CMOS PA則在藍牙和ZigBee應用領域占據主導地位
，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，隻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。在集成度方麵，如果要集成進收發器
、基帶和PA
，那麼，就需要采用一種新的矽工藝。然而，業界在這方麵的趨勢是繼續讓PA和收發器彼此分開，采用不同的封裝，並以GaAs來實現這樣的集成。

SiGe有望超越GaAs工藝占據主流

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 半導體公司采用fT為 30GHz 的主流 SiGe 工藝，著眼於搶占過去由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占有的優勢。

采用SiGe技ji術shu的de優you勢shi之zhi一yi是shi提ti高gao集ji成cheng度du。設she計ji人ren員yuan可ke在zai功gong率lv放fang大da器qi周zhou圍wei集ji成cheng更geng多duo的de控kong製zhi電dian路lu
，這zhe樣yang
，最zui終zhong的de器qi件jian就jiu更geng加jia節jie省sheng空kong間jian，從cong而er為wei集ji成cheng更geng多duo無wu線xian功gong能neng的de提ti供gong令ling了le潛qian力li。例li如ru，采cai用yong 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，采用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以及台積電(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技術而占據主流。

本文總結

隨(sui)著(zhe)多(duo)種(zhong)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)標(biao)準(zhun)在(zai)手(shou)持(chi)設(she)備(bei)上(shang)的(de)應(ying)用(yong)，隻(zhi)有(you)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)功(gong)耗(hao)，才(cai)能(neng)延(yan)長(chang)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)的(de)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)更(geng)加(jia)的(de)用(yong)戶(hu)體(ti)驗(yan)。本(ben)文(wen)通(tong)過(guo)對(dui)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)所(suo)采(cai)用(yong)的(de)三(san)種(zhong)主(zhu)要(yao)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)進(jin)行(xing)的(de)簡(jian)要(yao)比(bi)較(jiao)，指(zhi)出(chu)未(wei)來(lai)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)在(zai)於(yu)采(cai)用(yong)SiGe工藝技術來製造射頻功率放大器，這是無線電電子係統設計工程師需要關注的技術趨勢。