合于射频芯片中的功率放大器常识浅析

2019-12-29 08:36 shenhua

  沙巴体育官网根据 Yole Development 的统计,2G 制式智能手机中射频前端芯片的价值为0.9 美元,3G 制式智能手机中大幅上升到3.4 美元,支持区域性4G 制式的智能手机中射频前端芯片的价值已经达到6.15美元,高端L智能手机达到12-15 美元,是2G 制式智能手机中射频前端芯片的17 倍。预计到2023 年手机射频(RF)前端模块和组件将达到350 亿美元,17-23 年复合年增长率为14%。

  各种手机射频前端组件的增速不一,如天线调谐器(Antenna tuners)

  的复合年增长率为40%,滤波器(Filters)的复合年增长率为21%,射频开关(Switches)的复合年增长率为12%,而射频功率放大器和低噪声放大器(PAs & LNAs)的复合年增长率仅为1%。

  4G多模多频手机所需的PA芯片增至5-7颗,StrategyAnalytics预测称5G时代手机内的PA或多达16颗之多。就工艺材料来说,目前砷化镓PA是主流,CMOS PA由于参数性能的影响,只用于低端市场。4G特别是例如高通等LTE cat16,4x20MHZ的载波聚合技术,对PA线性度高Q值得要求,会进一步依赖砷化镓PA。同时,据Qorvo预测,随着5G的普及, 8GHz以下砷化镓PA仍是主流,但8GHz以上氮化镓有望在手机市场成为主力。随着无线通讯协议的复杂化及射频前端芯片设计的不断演进, PA设计厂商往往将开关或双工器等功能与功率放大电路集成在一个芯片封装中,形成多种功能组合。根据实际情况,TxM(PA+Switch)、PAD(PA+ Duplexer)、 MMPA(多模多频PA)等多种复合功能的PA芯片类型。

  功率放大器是把输入信号放大并向负载提供足够大的功率的放大器。射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分,其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大(缓冲级、中间放大级、末级功率放大级)获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。

  放大器的功能,即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容,我们称之为“信号”,往往表示为电压或功率。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率,如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中,可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波,实现不失真放大。除此之外,输出中的谐波分量还应该尽可能地小,以避免对其他频道产生干扰。

  根据工作状态的不同,功率放大器可分为:线性功率放大器和开关型功率方法器。

  线性功率放大器的工作频率很高,但相对频带较窄,射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。线性射频功率放大器可以按照电流导通角的不同,分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°,适用于小信号低功率放大,乙类放大器电流的导通角等于180°,丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态,丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类,但丙类放大器的电流波形失真太大,只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然接近于正弦波形,失真很小。

  开关型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA),使电子器件工作于开关状态,常见的有丁(D)类放大器和戊(E)类放大器,丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式,晶体管的工作状态要么是开,要么是关,其电压和电流的时域波形不存在交叠现象,所以是直流功耗为零,理想的效率能达到100%。

  总体来讲,传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低,而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率,但线性度差。

  目前功率放大器的主流工艺依然是GaAs工艺。另外,GaAs HBT,砷化镓异质结双极晶体管。其中HBT(heterojuncTIon bipolar transistor,异质结双极晶体管)是一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层构成的双极晶体管。

  CMOS工艺虽然已经比较成熟,但Si CMOS功率放大器的应用并不广泛。成本方面,CMOS工艺的硅晶圆虽然比较便宜,但CMOS功放版图面积比较大,再加上CMOS PA复杂的设计所投入的研发成本较高,使得CMOS功放整体的成本优势并不那么明显。性能方面,CMOS功率放大器在线性度,输出功率,效率等方面的性能较差,再加上CMOS工艺固有的缺点:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺基片衬底的电阻率较低。

  英国研究公司Technavio 称,全球功率放大器市场主要有三个四发展趋势:晶圆尺寸增大;初创企业采用CMOS 技术;国防领域的高速放大器需求逐渐增大:利用InGaP 工艺,实现功率放大器的低功耗和高效率。

  晶圆尺寸变大。半导体行业见证了过去40 年晶圆尺寸的变化,砷化镓(GaAs)晶圆尺寸从50mm 增大到150mm,制造成本降低了20%~25%。目前,业界制造功率放大器通常采用150mm晶圆。预测150mm 晶圆还将继续使用,因为台湾的稳懋半导体公司等制造商还在大力投资升级和新建150mm 工厂。业内正在开发200mm 晶圆技术,预计2018 年底能够试生产。斯坦福大学研究人员正在研究降低200mm GaAs 晶圆的价格,使其可以以较低的价格与硅晶圆争夺市场。同时这也对掩膜版检测设备登晶圆制造设备提出需求。

  初创公司采用CMOS技术。一些初创企业,如Acco Semiconductor , 正越来越多的采用CMOS 技术。Acco Semiconductor 抓住移动手机和物联网产品对射频功率放大器巨大需求的机会,已经投资350 亿美元扩展其基于CMOS 的射频功率放大器业务。目前绝大多数功率放大器采用锗硅(SiGe)或GaAs 技术,而非CMOS。但根据报告可知,基于CMOS 工艺有助于实现低成本、高性能的功率放大器。

  国防领域需要高速放大器。军事领域需要更高效的利用频谱,更多的使用移动设备来通信。因此,Technavio 公司称,军事领域要求高速功率放大器。美国国防先期研究计划局(DARPA)在太赫兹电子项目中已取得进展,即美国诺·格公司开发了出固态功率放大器和行波管放大器,这是仅有的两款太赫兹频率产品。太赫兹频段的功率放大器可用于许多领域,包括高分辨率安全成像、高数据速率通信、防撞雷达、远距离危险化学品和爆炸物探测系统。