射频功率放大器的主要工艺技术

sdkangbaz · 发表于 2021-5-21 09:35

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在手机设计中两个最耗电的部分就是基带处理器和射频前端。功率放大器(PA)消耗了射频前端中的绝大部分功率。实现低功耗的关键是使射频前端中的其他电路消耗尽可能少的功耗且不影响PA的工作。在目前所用的选择中，带解码器的GaAs开关吸纳的电流为600μA，但在典型的射频前端应用中，UltraCMOS SP7T开关只吸纳10μA的电流，因此，可以大幅降低射频前端的功耗，从而提高射频功率放大器的效率。

目前，采用CMOS工艺制造射频功率放大器的公司包括：英飞凌、飞思卡尔、Silicon Labs、Peregrine、Jazz半导体等公司。

利用InGaP工艺，实现功率放大器的低功耗和高效率

InGaP HBT(异结双极晶体管)技术的很多优点让它非常适合高频应用。InGaP HBT采用GaAs制成，而GaAs是RF领域用于制造RF IC的最常用的底层材料。原因在于：1. GaAs的电子迁移率比作为CMOS衬底材料的硅要高大约6倍；2. GaAs衬底是半绝缘的，而CMOS中的衬底则是传导性的。电子活迁移率越高，器件的工作频率越高。

半绝缘的GaAs衬底可以使IC上实现更好的信号绝缘，并采用损耗更低的无源元件。而如果衬底是传导性的话，就无法实现这一优势。在CMOS中，由于衬底具有较高的传导性，很难构建起功能型微波电路元件，例如高Q电感器和低损耗传导线等。这些困难虽然可以在一定程度上得到克服，但必须通过在IC装配中采用各种非标准的制程来能实现，而这会增加CMOS设备的制造成本。

nGaP特别适合要求相当高功率输出的高频应用。InGaP工艺的改进让产量得到了提高，并带来了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。这样既简化了系统设计，降低了原材料成本，也节省了板空间。有些InGaP PA也采用包含了CMOS控制电路的多芯片封装。如今，在接收端集成了PA和低噪音放大器(LNA)并结合了RF开关的前端WLAN模块已经可以采用精简型封装。例如，ANADIGICS公司提出的InGaP-Plus工艺可以在同一个InGaP芯片上集成双极晶体管和场效应晶体管。这一技术正被用于尺寸和PAE(功率增加效率)有所改进的新型CDMA和WCDMA功率放大器。

RF CMOS PA与GaAs PA的比较

当前，大部分手机PA都是采用GaAs和InGaP HBT技术，只有一小部分采用的是RF CMOS工艺制造。与GaAs器件相比，RF CMOS技术能够实现更高的集成度，而且成本也更低。

然而，并非所有消费电子产品的理想选择。例如无线网络和手机市场就被GaAs PA所统治，因为它可以支持高频率和高功率应用，而且效率很高。另一方面，RF CMOS PA则在蓝牙和ZigBee应用领域占据主导地位，因为它一般运行功率更低，而且性能要求没有那么苛刻。