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手机、智能手机、个人导航设备(PND)和MP3播放器等无线通信设备是现今最炙手可热的消费电子产品;而功率放大器(PA)则是这些设备中的关键组件。因此,PA的重要性及业界对之的关注均显着增加。
一直以来,PA都是电子设备中的耗能大户,大大缩短了移动设备宝贵的电池寿命。例如,一个典型的WiMAX无线电设备中,基带和收发器的功耗只有约600mW,而PA的功耗却接近 1.3W。
工程师在设计PA之前,有许多选择供他们仔细考虑。设计工程师面临的{dy}个问题是:采用硅材料还是III-V族材料?本文将概述影响PA设计的一些重要问题,并探讨多种基本半导体技术的优劣势,而这些技术将决定在硅和III-V族(砷化镓,即GaAs)的争战中谁将胜出。
电子行业日新月异,近来的许多技术革新都对PA设计有不可忽视的影响。采用了正交频分复用(OFDM)方案的技术,如WiFi、WiMAX和LTE,为PA带来了一些{zj1}挑战性的工作环境。这些应用中采用的PA需要高线性度来满足信噪比(SNR)目标,同时还必须能够处理与OFDM有关的高峰均功率比。
此外,基于 WiFi(802.11)和WiMAX(802.1)的标准是目前中国以及全球增长最快的使用技术。因此,我们必须关注在低功耗(<1W)、高线性度OFDM PA应用中,GaAs与硅的争夺之战。
不论PA设计人员选择了硅或 GaAs,他们都需要进一步选择其它选项,而每个选项都有其优缺点,需要设计人员仔细权衡,以求满足所设计应用的特定要求。
譬如,在GaAs方面,有众多设计选项,如:
1. GaAs HBT(基于双极型);2. GaAs pHEMT(基于前端FET技术);3.GaAs BiFET(双极型和FET技术的混合)
在硅方面,工程师可以采用以下技术进行设计:
1. CMOS(基于FET);2. SiGe BiCMOS(速度更高,双极型和FET技术的混合)
目前,OFDM PA设计的技术选择有GaAs HBT和SiGe BiCMOS。迄今为止,GaAs一直广泛用于 OFDM,因为它能够在转换频率(fT)和击穿电压之间取得更好的权衡来提供大功率。
最近10年间,硅技术发展迅速,要选择出具有主导优势的技术变得越来越困难。
直到几年前,2GHz和/或 50mW以上的器件都是采用GaAs来设计的;但今天,在接近1W的功率级,可以采用SiGe BiCMOS PA,甚至在10GHz频率下,这些器件也能够充分发挥其功能。
如果效率是你的PA设计的关键,GaAs技术将仍然能够表现出{zj0}性能,尤其是在功率较大的情况下。此外,GaAs技术还具有更大的击穿电压,可以使PA设计更为稳健。不过好消息是,业界已经成功开发了能够保护击穿电压较低的硅器件的电路。
单一设备中使用多种无线电技术:目前,业界存在着多种不同的无线通信技术,这种局面常常导致在单个设备中有多个射频器件同时工作。例如,在通话期间利用蓝牙耳机时,蓝牙和蜂窝必须同时工作。此外,在网络切换期间,移动设备上的WiMAX和蜂窝无线电会同时启动;当GPS用于蜂窝电话上时,蜂窝和GPS也会同时启动。
图1:双模WCDMA/WiMAX无线电。(WiMAX模块、WCDMA子卡、)
你可能会问这与PA有什么关系?因为WCDMA和WiMAX的工作频率并不一样,所以我们也许可以假定,即使两个无线电同时工作,也不会产生任何问题。
然而,实际情况并非如此。一个无线电在另一个无线电的通带内所发出的噪声,在接收器端是无法被过滤掉的,而且更会降低受害接收器的灵敏度。当两个无线电被配置在同一个设备中时,这个问题最为明显(见图1),因为一个无线电发出的信号会毫无衰减地到达另一个无线电的接收器。
为阐明这一技术挑战,让我们考虑下面的情形:
WCDMA的信道带宽为
3.84MHz;而要编码CDMA信号则需要117dBm的灵敏度。假设编码增益为21dB(128位芯片代码长度),则灵敏度为
-96dBm/3.84MHz,或-161.8dBm/Hz。
设计工程师的目标如果不是降低功耗,则{zh0}不要把共存滤波器放在PA之后,
但也不能放在PA之前,因为大部分噪声实际上都是在PA内产生的。
要获得{zj0}性能,滤波器的{zj0}位置是放在PA 级之间,在PA芯片内。
这样,产生了一个问题:即哪一种技术最适合于实现集成式滤波器。最初,基于GaAs的半导体技术颇具优势,因为无源器件的基板损耗较低,可获得“更高的Q”(系统振荡频率与能量消耗速度之比)。然而,前面提及的硅工艺不断演进发展,现在已经可以在绝缘二氧化硅(SiO2)上制作无源器件了,而且其性能还可媲美在更低损耗的GaAs基板上制作的器件。
不过,还有另一个必须额外考虑的事项。
数字自适应预失真 (DAPD)技术的开发按照摩尔定律,随着数字硬件的价格不断下降,数字自适应预失真(DAPD)校正技术的成本也会逐年降低,变得越来越具吸引力。在一个DAPD系统中(如图2),PA的输出被采样,下行转换到基带,然后与输入信号进行比较。系统会对由功放所造成的相位和振幅失真进行检测,然后调节基带信号,以准确抵消这些失真。这种技术可以提高PA的总体效率。
图2:数字自适应预失真系统的模块示意图。(基带、调制器、查找表、查找表
更新、基带波包、RF输出)
业界公认,当DAPD与高度非线性技术开发的PA配合使用时,可发挥{zd0}的作用。预失真器所需的功率远远小于放大器的功率,故较大的放大器也同样受到影
响。例如,集成式CMOS PA现已开始整合在低功率WiFi 手机中,这些 CMOS PA的fT
非常低,需要在极高的电流密度下工作才能获得所需的线性度,来满足WiFi
EVM规范要求。若这些器件在较低电流下工作,它们会变得高度非线性,这时,采用了集成式CMOS
PA的WiFi设备必须使用DAPD。但即使是使用了预失真技术,集成式CMOS
PA的效率也相当低,一般小于10%。不过,由于这些器件都在较低的输出功率下(通常小于40mW)工作,因此效率不是那么重要,DAPD已能确保足够的
线性度。
耗电量最小化
PA一般是根据额定输出功率下的耗电量来标注的,而功率附加效率(PAE)则通常在全功率下定义。当输出功率降低时,从PA流出的电流也随之而降 低。但流出的电流与输出功率并不成线性关系,例如,如果输出功率降低50%(3dB),电流一般只减小20%左右。此外,当输出功率回退近零时,因 PA的偏置电流之故,电流不会降为零,而是在PA静态电流(Icq)处达到饱和。
在许多应用中,静态电流无关紧要。譬如,若PA在{zd0}功率附近工作时,只要它发射功率,就会产生功耗,这时回退不重要,且静态电流(Icq)也变得不相关。
802.11 WiFi PA就是这样的典型例子。当数据被发射时,PA启动,并一直在{zd0}功率下工作,但在发射脉冲之间,它则被禁用,并同样只消耗泄漏电流。
如果一个PA是针对广大范围的发射功率而设计的,则回退功率级下的功耗和Icq变得十分重要。这一点在CDMA和WiMAX
PA中显然可见。WiMAX需要45dB的最小发射动态范围,因为功率控制是整个网络固有的。(图3显示了CDMA和WiMAX网络中移动设备可能的发射
功率分布)。对于CDMA,由图可看出,手机主要在-4dBm下发射,极少在{zd0}功率下发射。
图3:CDMA和WiMAX网络设备的发射功率分布。(输出功率分布、发生
概率、电流、输出功率、电流消耗)
至于在回退功率下能否获得高效率,
不同技术之间没有什么优势差异──它们全都相当差。例如,典型WiMAX
PA的Icq为100mA。如果我们假设PA在0dBm功率时电流为Icq,则功耗为330mW,且在0dBm输出功率下效率只有0.3%;另一方面,在满额定功率下它的效率约为20%。
低输出功率下的功耗降低技术
一项可减小低输出功率下功耗的有效技术,是在低输出功率下使输出级旁路,把RF能量发送到末级周围。输出级是{zd0}的级,吸取电流最多。因为输出级被旁路时无耗电,故这项技术能够降低增益,显着减少PA的电流。
开关是实现输出级旁路{zshy}的方法。其中最常用的是带有FET开关的技术,因为这些器件的损耗低得多,并且线性度更好。因此,pHEMT或GaAs
BiFET工艺都是很好的选择。SiGe
BiCMOS工艺也十分适合于开发低静态电流器件。目前的绝缘体上硅(SOI)技术可以创建出媲美GaAs开关的SOI开关。
利用GaAs HBT或CMOS技术来制造高效开关就要困难得多,因此这些技术通常不适合作为超低静态电流的输出级旁路方案。
不过,虽然GaAs pHEMT泄漏电流上的缺陷使其不常用于移动电话这类待机时间非常重要的设备,但它们仍然是膝上型电脑等设备的不错选择。
前端IC的集成和开发
2002年:RF前端模块包含了与众多分立式器件不匹配的PA,占位面积16x18mm。
2005年:前端层压板模块集成了分立式表面安装组件用于匹配,占位面积8x7mm。
2007年:许多分立匹配组件被集成式器件所取代,后者提供的功能性相同,无需层压,面积4x4mm。
如上所述,从最初的考虑来看,SiGe
BiCMOS工艺似乎并非{zj0}选择,因为利用这种技术很难制造出高质量低损耗的开关。不过,随着近年来绝缘体上硅(SOI)技术的发展,市面上已有性能可
媲美GaAs开关的SOI开关。因此,SiGe
BiCMOS工艺也成为一种非常适合于FEIC开发的平台,而且我们预期这一领域将有大幅增长。事实上,当考虑到在同一个芯片上集成电池管理电路
时,SiGe BiCMOS平台甚至更具吸引力。
总言之,对于前端IC的开发,CMOS和GaAsHBT不适合,而GaAs pHEMT和BiFET工艺以及结合了SOI技术的SiGe
BiCMOS工艺,却都是上佳之选。
串行接口控制PA 可望推动PA工作发生革命性变化
PA历来是独立式组件。即使在今天,大多数PA也只利用单个模拟选通信号来控制,故常常需要精度调节器。RF前端模块中,功放、低噪放大器和开关都
集成于单封装器件中,故把控制信号从基带芯片发送到RF模块可能非常困难,特别是在多频带和多PA
MIMO技术出现之后。例如,一个802.11abg MIMO无线电设备需要两个5GHz PA、两个5GHz LNA、两个2.4GHz
PA、两个2.4GHz LNA、若干滤波器和Rx/Tx开关,其中每一个器件都必须单独控制。
如果PA或RF前端的串行接口控制对你的设计很重要,那么合理的选择就是CMOS或SiGe BiCMOS工艺。
总结
近年来,PA的设计受到了众多重要问题的影响。本文总结了若干新问题,并概述了每一个问题是如何对PA的技术选择产生影响的,尤其是一些与OFDM调制一起使用的技术。CMOS PA适合于较低的输出功率,并需要采用数字自适应预失真技术来获得工作所需的线性度。
一直以来,高功率和高频PA都是采用GaAs HBT技术,但现在,高性能SiGe BiCMOS 功放开始与之有力抗衡。可串行接口控制和高集成度前端IC开发的数字逻辑器件的面世,对这种趋势起了强劲的推动作用。因此,GaAs HBT和GaAs pHEMT PA将用于更高的功率级和更为特别的应用。
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