无线设备射频功放设计的革命性演进趋势（上）
时间：03-29
来源：互联网
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PA与泄漏电流
如果无线系统中没有数据发射，PA会被禁用，而在理想情况下，这时是完全无功耗的。然而，除非开关与驱动PA的电源串联(但由于成本、尺寸和功耗的原因，这种方案不可取)，PA将总是让供电电压加载在集电极(双极型器件)或漏极(FET器件)上。在实际情况中，虽然PA是“关断的”，但仍总是有少量的泄漏电流流过。这个泄漏电流属于一种寄生电池泄漏，会缩短移动设备的待机时间。对手机这类待机时间至关重要的设备而言，低泄漏电流常常是一项必不可少的严格要求。
在前面已讨论过的技术中，大多数都可以用来解决满足低泄漏要求的技术难题。GaAs HBT、SiGe HBT和CMOS PA都能够实现低泄漏电流，泄漏电流一般在10μA之下。
鉴于其技术特性，一般来说，pHEMT PA的泄漏电流大于其它技术制造的PA。从技术层面来说，pHEMT的栅极看起来像一个二极管，所以阈值电压必须相当低(大大小于二极管的电压降)。因此，通过栅极加载0V，可能产生可测量的泄漏电流。其它技术则带有绝缘栅，故阈值电压较高，泄漏电流因此而小得多。
移动电话生产商不断努力地减少会使电池耗尽、待机时间缩短的组件。pHEMT器件泄漏电流大的缺点常常被指为pHEMT技术未获移动设备采用的理由。但事实上，它们对移动设备待机时间的影响极小。一个处于关断状态、有100uA泄漏电流的pHEMT PA一般要10000个小时 (417天)才会耗尽一个普通的1000mA-hr电池。
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
智能电话是移动电子设备市场增长最快的产品之一。这些设备结合了双频带WiFi、多频带蜂窝、 GPS、FM和蓝牙等无线电器件，在市场迅速流行开来，但在一定的外形尺寸中集成所有功能也变得越来越困难了。RF前端包含了收发器和天线之间的所有组件，有助于大幅减小占位面积。RF前端供应商为此努力不懈，通信设备中RF前端组件的尺寸一直在不断缩小。
图4的时间线清楚显示了RF前端模块的集成度演进及其占位面积缩小的趋势。
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：许多分立式匹配组件被集成式无源器件所取代，后者提供的功能性相同，但无需层压板，占位面积 4x4mm。
这种集成度演进模式在硅IC的发展历程中屡见不鲜，被称为“计算器”(calculator)范例。按此规律，下一步就应该是前端集成电路(FEIC)的开发，如本图最后两张图片所示，其外形尺寸可小至3x3mm。FEIC提供把PA、LNA、开关和滤波器都集成在单个芯片上的可能。
图4：WLAN无线电设备RF前端模块尺寸的演进趋势。(不匹配的PA、前端模块、前端 IC)
GaAs pHEMT和BiFET技术可用于制作性能出色的LNA、PA和开关，故也非常适合于FEIC。
如上所述，从最初的考虑来看，SiGe BiCMOS工艺似乎并非最佳选择，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。
目前的新兴趋势是利用串行接口来控制PA和/或RF前端模块内的组件。受串行接口控制的PA有可能彻底改变PA的工作方式，使数字接口向天线更靠近一步。在前端模块的复杂环境中，串行接口能够减少或去掉控制线路，大大简化从BB芯片出来的布线。此外，设计工程师还能够利用串行接口直接通过串行总线报告温度及检测器电压，以减少引脚数目，而且BB芯片上也无需A/D转换器。
串行接口首选硅工艺，比如CMOS和SiGe BiCMOS。GaAs工艺都缺乏互补器件(pFET或PNP晶体管)，因此不可能实现重要的逻辑或逻辑控制，比如GaAs芯片上的真值表。因此，基于 HBT、BiFET或pHEMT的器件都需要一个额外的CMOS逻辑芯片来实现串行接口。
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。
如果无线系统中没有数据发射，PA会被禁用，而在理想情况下，这时是完全无功耗的。然而，除非开关与驱动PA的电源串联(但由于成本、尺寸和功耗的原因，这种方案不可取)，PA将总是让供电电压加载在集电极(双极型器件)或漏极(FET器件)上。在实际情况中，虽然PA是“关断的”，但仍总是有少量的泄漏电流流过。这个泄漏电流属于一种寄生电池泄漏，会缩短移动设备的待机时间。对手机这类待机时间至关重要的设备而言，低泄漏电流常常是一项必不可少的严格要求。
在前面已讨论过的技术中，大多数都可以用来解决满足低泄漏要求的技术难题。GaAs HBT、SiGe HBT和CMOS PA都能够实现低泄漏电流，泄漏电流一般在10μA之下。
鉴于其技术特性，一般来说，pHEMT PA的泄漏电流大于其它技术制造的PA。从技术层面来说，pHEMT的栅极看起来像一个二极管，所以阈值电压必须相当低(大大小于二极管的电压降)。因此，通过栅极加载0V，可能产生可测量的泄漏电流。其它技术则带有绝缘栅，故阈值电压较高，泄漏电流因此而小得多。
移动电话生产商不断努力地减少会使电池耗尽、待机时间缩短的组件。pHEMT器件泄漏电流大的缺点常常被指为pHEMT技术未获移动设备采用的理由。但事实上，它们对移动设备待机时间的影响极小。一个处于关断状态、有100uA泄漏电流的pHEMT PA一般要10000个小时 (417天)才会耗尽一个普通的1000mA-hr电池。
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
智能电话是移动电子设备市场增长最快的产品之一。这些设备结合了双频带WiFi、多频带蜂窝、 GPS、FM和蓝牙等无线电器件，在市场迅速流行开来，但在一定的外形尺寸中集成所有功能也变得越来越困难了。RF前端包含了收发器和天线之间的所有组件，有助于大幅减小占位面积。RF前端供应商为此努力不懈，通信设备中RF前端组件的尺寸一直在不断缩小。
图4的时间线清楚显示了RF前端模块的集成度演进及其占位面积缩小的趋势。
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：许多分立式匹配组件被集成式无源器件所取代，后者提供的功能性相同，但无需层压板，占位面积 4x4mm。
这种集成度演进模式在硅IC的发展历程中屡见不鲜，被称为“计算器”(calculator)范例。按此规律，下一步就应该是前端集成电路(FEIC)的开发，如本图最后两张图片所示，其外形尺寸可小至3x3mm。FEIC提供把PA、LNA、开关和滤波器都集成在单个芯片上的可能。
图4：WLAN无线电设备RF前端模块尺寸的演进趋势。(不匹配的PA、前端模块、前端 IC)
GaAs pHEMT和BiFET技术可用于制作性能出色的LNA、PA和开关，故也非常适合于FEIC。
如上所述，从最初的考虑来看，SiGe BiCMOS工艺似乎并非最佳选择，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。
目前的新兴趋势是利用串行接口来控制PA和/或RF前端模块内的组件。受串行接口控制的PA有可能彻底改变PA的工作方式，使数字接口向天线更靠近一步。在前端模块的复杂环境中，串行接口能够减少或去掉控制线路，大大简化从BB芯片出来的布线。此外，设计工程师还能够利用串行接口直接通过串行总线报告温度及检测器电压，以减少引脚数目，而且BB芯片上也无需A/D转换器。
串行接口首选硅工艺，比如CMOS和SiGe BiCMOS。GaAs工艺都缺乏互补器件(pFET或PNP晶体管)，因此不可能实现重要的逻辑或逻辑控制，比如GaAs芯片上的真值表。因此，基于 HBT、BiFET或pHEMT的器件都需要一个额外的CMOS逻辑芯片来实现串行接口。
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。