多模/多頻功率放大器模塊助力復雜射頻技術(shù)設計

　現代手機需要處理經(jīng)過(guò)復雜調制的蜂窩信號以及藍牙、WiFi、WiMAX、GPS等其它射頻信號。為滿(mǎn)足用戶(hù)對體積小、電池續航時(shí)間長(cháng)的要求，手機需要具有高線(xiàn)性度和低噪能力的單一寬帶射頻功率放大器(PA)。ANADIGICS、安華高科技(Avago Technologies)、RFMD、Skyworks、意法半導體和TriQuint等公司就是一些推動(dòng)這一趨勢的關(guān)鍵制造商。

　　兩年多前，ANADIGICS預料到這一需求并推出了3G五頻PA模塊AWT6223?；诓捎昧薆iFET工藝的HELP2技術(shù)，AWT6223功率放大器模塊大大降低了工作在WCDMA以及GSM模式下的平均功耗。ANADIGICS現正準備為3G/4G應用推出基于HELP4技術(shù)的新一代多模多頻段功率放大器模塊(圖1)。據該公司業(yè)務(wù)拓展和應用總監Mahendra Singh介紹：“這種衍生自InGaP-Plus的BiFET工藝，能在同一芯片上，同時(shí)集成了射頻開(kāi)關(guān)、功率放大器和穩壓器。另外，它支持制造具有多個(gè)增益級的功率放大器、其中每個(gè)增益級都對線(xiàn)性和效率進(jìn)行了優(yōu)化。”

　　圖1：BiFET實(shí)現單芯片集成RF開(kāi)關(guān)、多增益PA和一個(gè)穩壓器。

　　ANADIGICS 目前已開(kāi)發(fā)出針對多模、多頻段的下一代手機功率放大器。諸如ALT6704，它覆蓋了1710MHz到1785MHz的頻段3、4和9，可支持CDMA、 WCDMA/UMTS和LTE模式。Singh指出，在其28dBm輸出功率時(shí)的效率要高出40%;在16dBm輸出功率時(shí)的效率要高出30%。在整個(gè)頻譜范圍，ALT6704有-40dBc(±5MHz ACLR)的線(xiàn)性度，而靜態(tài)電流(Icq)只有3mA。“與其它產(chǎn)品不同，基于HELP4的功率放大器不需要DC-DC轉換器，因為內部開(kāi)關(guān)能針對不同功率水平提供最佳負載線(xiàn)。”Singh表示。該公司還正在努力開(kāi)發(fā)一款真正融合的3G/4G功率放大器模塊，它將支持多種頻段和空中接口模式。

　　TriQuint也在進(jìn)行融合功率放大器模塊的開(kāi)發(fā)。它與收發(fā)器/基帶芯片組廠(chǎng)商合作，正在為多模、多段移動(dòng)設備開(kāi)發(fā)一種可升級的3G/4G融合射頻架構。這款稱(chēng)為T(mén)RIUMF的架構可支持3G移動(dòng)設備使用的多個(gè)頻段和空中接口，包括：GSM、EDGE、WCDMA和HSPA。TriQuint高級市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)總監Shane Smith指出，將各功能融合進(jìn)一個(gè)功率放大器模塊的作法將比當今分離方案的體積減少50%。TriQuint正同時(shí)設計無(wú)源和有源射頻器件以創(chuàng )造一個(gè)寬帶射頻放大器架構。TRIUMF不僅支持用于語(yǔ)音和低數據速率應用的GSM/GPRS/EDGE模式還支持用于高速數據應用的WCDMA/HSPA /LTE模式。在多頻段方面，它可處理傳統四頻段GSM850/900/DCS1800/PCS1900。這樣，它將支持全球范圍的WCDMA/HSPA /LTE覆蓋。

　　這個(gè)架構還允諾提供可擴展性和系統級驗證。Smith稱(chēng)，TriQuint正與業(yè)界領(lǐng)先的3G芯片組供應商緊密合作，進(jìn)行 TRIUMF架構的設計。TRIUMF的主要優(yōu)點(diǎn)包括：更長(cháng)的電池續航時(shí)間、降低了的材料成本以及更小型的射頻系統。該公司強調，一個(gè)整合了天線(xiàn)開(kāi)關(guān)、模式/頻段開(kāi)關(guān)和雙工器的單一的融合功率放大器模塊將顯著(zhù)減小前端的電路板面積。雖然射頻開(kāi)關(guān)是采用砷化鎵pHEMT器件實(shí)現的，但PA將利用磷化銦鎵基異質(zhì)結雙極晶體管(HBT)器件。事實(shí)上，使其得以實(shí)現的技術(shù)是混合模式BiHEMT工藝。

　RFMD是從事融合方案研發(fā)的另一家半導體供應商。該公司已推出一個(gè)3G/4G前端平臺，它支持覆蓋2G/2.5G/3G/4G移動(dòng)標準多達9個(gè)蜂窩頻段。除了前端的靈活性，該融合架構提高了功能密度，從而簡(jiǎn)化了設計、降低了成本并加快了3G和4G多模移動(dòng)設備的實(shí)現，該公司3G/4G產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監Ben Thomas表示。這款名為RF6460的融合平臺包括以下內容：RF6260多模、多頻功率放大器模塊;RF6360天線(xiàn)切換模塊 (ASM);RF6560前端電源管理IC。由于對功率放大器進(jìn)行了精心設計，以使它能在2G工作中，運行于飽和GMSK和線(xiàn)性EDGE架構;在 3G/4G工作中，運行于高效、優(yōu)化的線(xiàn)性模式。為了去掉隔離器及同時(shí)保持寬帶和VSWR容錯性能，RF6260 功率放大器模塊使用了對負載不敏感、平衡(雙正交)的架構。為服務(wù)多頻段配置以及2G和3G/4G工作，它集成了一個(gè)SP4T/SP3T模式開(kāi)關(guān)?？蓴U展的RF6260支持多達五個(gè)頻段。

　　為與功率放大器一起工作，前端電源管理芯片包含一個(gè)升壓/降壓型DC-DC轉換器和輔助電荷泵。轉換器可迅速對負載和線(xiàn)路瞬態(tài)做出響應，所以在很寬的電壓范圍內，該轉換器提供給功率放大器的輸出電壓的紋波很小。因此，它可動(dòng)態(tài)控制功率放大器的工作狀況以實(shí)現最佳效率和線(xiàn)性。對RF6360 ASM開(kāi)關(guān)而言，它提供了一個(gè)單刀八擲(SP8T)pHEMT開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)支持五個(gè)WCDMA頻段(1、2、4、5和8)以及兩個(gè)高頻段和兩個(gè)低頻段的 2G/2.5G路徑。三線(xiàn)SDI接口允許用戶(hù)選擇ASM的激活路徑。

　　去年底，Skyworks推出其首款用于4G的多模、多頻段頻分復用/時(shí)分復用(FDD/TDD)功率放大器模塊——SKY77441。該公司的高級工程總監Gene Tkachenko介紹，SKY77441是為L(cháng)TE TDD頻段7和LTE FDD頻段38和40開(kāi)發(fā)的，是一款完全匹配的表面貼裝模塊。

　　SKY77441 是采用InGaP- BiFET工藝實(shí)現的，它以帶正交相移鍵控(QPSK)或16態(tài)正交調幅(QAM)信號的全資源塊分配提供26dBm以上的線(xiàn)性輸出功率。在WCDMA調制時(shí)，它提供28dBm以上的線(xiàn)性輸出功率。除了帶功率檢測的功率放大器級以外，該PA模塊還集成了輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò )。該公司還正在開(kāi)發(fā) SKY77441的各種不同版本，以支持新應用所需的更多頻段。

　　為成功地在單一放大器內整合頻段及模式，安華高科技注意到，需要物理上更大的架構。這種架構通常需要額外的、像DC-DC轉換器那種不乏昂貴的電路。由于功率放大器之后的開(kāi)關(guān)損耗、不那么優(yōu)化的負載線(xiàn)、DC-DC 的功耗以及其它問(wèn)題，這種架構在效率上也受到顯著(zhù)影響。鑒于當今的多頻段需求，制造商基本上能以高出10到20%的電流消耗省去一個(gè)甚或兩個(gè)單頻功率放大器。因為單一功率放大器一般不超過(guò)物料成本的1%，安華高科技的設計師拿不準這是否值得。

　　未來(lái)，安華高科技預測，三個(gè)或更多的功率放大器將會(huì )從設計中被淘汰。這應該是在多模、多頻應用中采取單一寬帶功率放大器模塊方案的交叉點(diǎn)。安華高科技計劃開(kāi)發(fā)多模、多頻功率放大器架構并正朝這一方向努力。該公司的設計師在研究多種架構，其中一些看起來(lái)希望較大。但在架構上，該公司還試圖確定它具有的優(yōu)勢能顯著(zhù)壓倒從成本和性能方面出發(fā)的考慮。

　　雖然大多數開(kāi)發(fā)商在其有源器件的開(kāi)發(fā)中采取砷化鎵和相關(guān)的化合物半導體技術(shù)，射頻CMOS供應商也把目光投向這個(gè)利潤豐厚的市場(chǎng)。利用一種新穎的功率放大器架構，初創(chuàng )公司Black Sand已研制出一款3G CMOS功率放大器。雖然其第一個(gè)版本是特定頻段、特定模式的，但多段、多模的CMOS功率放大器也在該公司的研發(fā)路線(xiàn)圖上。因為有可能在同一個(gè)硅芯片上集成數字控制器和電源管理電路，該公司正在研究各種架構，其中要令核心CMOS功率放大器能夠針對期望的頻段和模式動(dòng)態(tài)地進(jìn)行重新配置。理想情況下，也還要能對偏置實(shí)施動(dòng)態(tài)優(yōu)化以獲得最佳性能。