CMOS功率放大器技術(shù)優(yōu)化單芯片手機方案設計

例如早先由英飛凌、恩智浦和Skyworks等供應商用專(zhuān)門(mén)的BiCMOS工藝制造的收發(fā)器模塊，這些模塊改用CMOS實(shí)現已有很長(cháng)時(shí)間了，而且在某些場(chǎng)合它還被整合進(jìn)系統級芯片中的手機主處理器內。設計師一再發(fā)現，盡管采用要求苛刻的工藝可能會(huì )帶來(lái)電路模塊方面的挑戰，但從長(cháng)期觀(guān)點(diǎn)看，用標準CMOS實(shí)現模擬模塊會(huì )得到回報。但CMOS工藝一直沒(méi)能成功進(jìn)入功放(PA)模塊領(lǐng)域，而功放是手機內的一個(gè)關(guān)鍵部件。

直到現在，PA的研制都是采用專(zhuān)門(mén)的GaAs或LDMOS工藝配以混合模塊封裝技術(shù)實(shí)現的，整體上它是一種代價(jià)高昂的制造流程，從而使PA占據著(zhù)手機成本中的一大塊。功放要求所采用的特殊半導體工藝能夠提供高擊穿電壓、高增益和高頻晶體管元件?；旌戏庋b技術(shù)提供了高Q無(wú)源器件以生成50Ω的匹配電路。采用標準CMOS實(shí)現PA，意味著(zhù)設計師必須面對沒(méi)有增強型晶體管和高Q無(wú)源器件的局面，從而使全集成PA的開(kāi)發(fā)變得極富挑戰性。

最近出現了一種有可能利用CMOS工藝制造PA的新技術(shù)，這樣，PA就可以被放在一個(gè)簡(jiǎn)單塑料封裝內。分布式有源變壓器(DAT)技術(shù)如其所稱(chēng)，其幾何結構支持使用Q值相對低的半導體金屬來(lái)提供基于變壓器的匹配電路，從而省去了模塊封裝。將PA內核分配到幾個(gè)塊中，再利用變壓器結構方式整合電源以及其他多項專(zhuān)利技術(shù)，就可以省卻高擊穿電壓晶體管。

圖1：基于DAT的CMOS功放技術(shù)被應用于獨立型GPRS手機中。

DAT技術(shù)的發(fā)明是建立在加州理工學(xué)院的研究成果基礎上的。Axiom Microdevices公司對這項技術(shù)又進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現了DAT PA的商用化生產(chǎn)，并對通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)(GPRS)PA器件的產(chǎn)品化進(jìn)行了完善，解決了諸如接收帶噪聲和需要在高壓電池組下工作等具體應用問(wèn)題。

與GaAs等產(chǎn)品不同，由于功率內核采用CMOS實(shí)現，所以偏置和調整GPRS類(lèi)型PA功率所需的小信號控制電路可與主功率級電路集成在同一裸片內，從而進(jìn)一步降低了成本。PA內核的集成還為支持線(xiàn)性調制方案提供了更大靈活性。傳統上，設計師一直采用如下兩種方法之一 ：一個(gè)是采用線(xiàn)性調制器和PA的“強制法”；另一個(gè)是更先進(jìn)的“包絡(luò )重構”法，此時(shí)非線(xiàn)性、高效的PA成為極化調制器的內核。

對后一種方法而言，采用傳統的PA建構技術(shù)將帶來(lái)嚴峻的挑戰。例如，用特殊工藝實(shí)現的PA內核對溫度和工藝變化的響應與線(xiàn)性化電路是不同的。這種情況通常會(huì )導致極不合理的要求，即最終用戶(hù)或手機廠(chǎng)商必須增加工廠(chǎng)校準時(shí)間來(lái)進(jìn)行補償，從而增加成本。相反，如果將PA內核與其控制器集成在同一裸片上，則會(huì )為監控或控制激勵提供多點(diǎn)接入。這樣，當設計師開(kāi)發(fā)最佳性能和成本結構的發(fā)送架構時(shí)，就會(huì )有更多選擇。

下一步可預期的發(fā)展是將PA與手機內的其他組件進(jìn)一步整合，比如上述已經(jīng)采用CMOS工藝實(shí)現的基帶和收發(fā)器模塊。從大量出貨的Axiom公司AX502器件可以看出，基于DAT的CMOS功放技術(shù)用在單獨的GPRS產(chǎn)品內是可行的。它還具有進(jìn)一步整合的可能，從而幫助業(yè)界繼續滿(mǎn)足制造商和設計師對體積更小更具成本效益的芯片組的需求，并提供更多功能。