InGaP HBT与CMOS，谁能带来更好的手机功放?

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手机和无线网络产品的设计人员都知道，功率放大器（PA）是关系到性能、占位面积和电池寿命的决定性因素。选择正确的PA是一项关键决策，可以帮助设计人员实现一个具有竞争优势的一流设计。

当前大部分手机PA都是采用砷化镓(GaAs)双极晶体管（名为InGaP HBT，即磷化镓铟异结双极晶体管）制造的，只有一小部分采用的是硅CMOS。相比于GaAs，CMOS能够实现更高的集成度，而且成本也更低，因此硅是否能够取代GaAs以及何时能取代它，就成为一个经常被提起的问题。

要回答这一问题，设计人员必须对这两种技术都有清楚的认识，并在真实的集成度、性能和成本上作一个对比。CMOS可能是当前最主要的通用半导体技术，但却绝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。而另一方面，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。

RF集成

CMOS能集成数量众多的晶体管，而且量产时成本较低，因此适用于当前的高集成度移动无线电基带和收发器芯片。数年前基带和收发器IC曾是彼此分开的，而现在则有集成到一块CMOS芯片上的趋势，这样总成本也更低。所以，人们很自然地就会想到是否能够将功率放大器也集成到同一块芯片上，实现真正的单芯片无线电。但是，由于一些实际应用中的问题，这一集成几乎不可能实现。

高度复杂和高度集成的基带和收发器RFIC需要最高端且最小栅长的CMOS制程，以便将各种功能集成到尽可能小的芯片上。另一方面，CMOS PA要集成的晶体管数量较少，但需要占位面积大的专用无源电路元件（电阻器、感应器和电容器），而大部分先进的CMOS制程一般都没有这些元件。这些制程都是依据数字电路而定制的。

CMOS PA采用的感应器、电容器和电阻器都是RF应用的基本元件，但并不是每个数字电路都有。另外，传统CMOS中所用的硅底层是传导性的，会增加RF损耗，并且大大降低这些无源电路元件的性能，除非采取一些普通CMOS制程流中所没有的特殊步骤，比如将金属传输线置于厚厚的电介质层上以使之离开硅底层表面，在无源结构下刻出一道沟以降低涡电流，或者采用其它创新型但非标准的制程和结构。这些专用制程和结构会提高制造成本。而且，这些结构的尺寸太大，和无线广播中的其它元器件集成时也有困难。

高集成度收发器等元器件都是采用最新的CMOS节点制造而成，以便将尺寸和成本最小化。如果采用一个成本非常昂贵的制程仅仅只能将收发器电路的尺寸最小化，却因为结构太大而抵消了其它好处，这么做显然从经济上没有任何意义。CMOS功率放大器最好还是采用一个为其特殊需要而定制的制程来制造。

另一个需要考虑的地方是以最新CMOS制程制造的晶体管是否适合RF应用。随着CMOS技术的更新换代，栅长在不断缩小，晶体管保留了类似于开关的特征（这是数字应用领域所需要的），但越来越不适合处理模拟信号（例如功率放大器中所遇到的模拟信号）。事实上，如果要针对RF应用，最好还是采用一种版本较老的CMOS制程，因为这样晶体管的特征才更适合。

相比于数字电路，用于电路设计的模块对于RF电路来说是非常难的。RF电路模块总会更加复杂，尤其是对于功率应用，因为必须考虑晶体管的所有不理想特征，包括导电底层的有害效应。针对CMOS晶体管的精确大信号RF模块目前还没有广泛应用。尽管这并不是一个基本问题，却要增加产品开发成本和设计循环的次数，才能达到一个可接受的性能水平。

收发器和功率放大器等元件的需要大有不同的另一个方面是封装。功率放大器一般采用薄片型或低温陶瓷共烧模块封装，而收发器则采用更为简单的塑料球形栅阵列（PBGA）型封装。功率放大器的封装的I/O接口不多，但需要满足低损耗RF匹配电路和电容器及感应器等表面安装器件（SMD）的需求。而另一方面，PBGA封装则适合数量较多的（一般大于100个）I/O管脚，而没有预留SMD和RF电路的空间。尽管要找到一个能满足两种电路要求的封装也不是不可能，但它毕竟不是一个合适的选择。

比起集成PA和收发器的方法，更合理的一个方案应该是在RF部分进行集成，即把功率放大器、电压调节、天线开关、低噪音放大器（LNA）和其它元器件集成到一块芯片上，来创建一个完整的RF前端。这块芯片可以和滤波器一起封装在一个功能强大的模块中。这种方法简化了手机/WLAN设计，让整个设计可以进行理想分割，以实现最高的性能和最低的总体成本。

性能上的挑战

CMOS放大器在频率和功率处理上的功能在稳步提高，但要满足不断进化的无线标准（3G、4G等）的严格要求，还面临着不小的挑战。即便在CMOS和InGaP都可以使用的领域，InGaP功率放大器也能以更高的功率级别提供更好的线性、效率和谐波性能。下面的图1对比了Silicon Labs公司的Si4300型双频GSM CMOS功率放大器和Anadigics公司的AWT6166型四频InGaP GSM功率放大器。很明显，InGaP功率放大器比CMOS功率放大器具有更高的增益、效率和绝缘性，以及更低的谐波和接收频噪音。

图1：AWT6166和Si4300功率放大器规格对比

线性

对于当前用于手机（WCDMA, EDGE）和WLAN应用领域的放大器，线性是一个关键因素，因为放大器都是以线性模式运行的。而另一方面，用于GSM手机中的功率放大器则以饱和模式运行。电路设计人员所面临的挑战是良好的效率和线性二者很难兼得。线性是用于满足系统规格要求，而效率则是延长手机通话时间所需要的。当放大器从饱和状态中脱离时，它的线性化更高了，但效率却降低了。一般来说，要实现同样的线性，一个CMOS功率放大器必须比InGaP功率放大器更为原理饱和状态，但它的效率又变得很低。这就是为什么CMOS功率放大器不能普遍用于3G手机和801.11a/g WLAN产品的缘故。由于这一设计上的取舍，一个能够满足WLAN、WCDMA和EDGE线性规格的CMOS功率放大器一般效率都很低。

效率和谐波

功率放大器的功率附加效率(PAE)是和手机的两个主要性能：电池寿命和通话时间直接相关的。一般来说，一个InGaP PA的PAE比一个CMOS PA的PAE要高很多 － 至少要高10个百分点。用于GSM900和DCS1800频段时，一个一流CMOS PA的PAE分别只有48％和40％，而一个InGaP PA的效率则分别可达55％和53％。

在较高的功率级时，比如当手机处于覆盖区域边缘地带的情况下，这个效率上的差别有着非常大的影响。PAE高7％－13％，意味着可以降低电池电流损耗并延长通话时间，而这正是消费者所需要的。在作出这一设计上的选择时（InGaP或CMOS），主要的问题在于成本的差异。尽管成本更低，CMOS PA却因为性能问题而更显劣势。即便是对于超低成本的手机，制造商也不太可能会牺牲通话时间来降低制造成本。

符合谐波规格是CMOS PA面临的另一个挑战。比如，GSM应用就一般要求二次和三次谐波为-22到-25dBm。这给CMOS PA的设计人员带来了极大的挑战。更糟糕的是，手机制造商都希望PA能够超越这些最低性能，具备足够的性能余度空间，以满足其各种版本手机主板的要求，而不会影响生产。

对于EDGE和WCDMA等更新的无线标准，GaAs已经成为用于PA的领先级制程技术。CMOS则在蓝牙和ZigBee等要求更为简单的无线应用中得到了广泛运用，其性能特征已经足够好，能在节省成本的情况下实现更高的集成度。

InGaP HBT技术

尽管没有CMOS那样知名，InGaP HBT（异结双极晶体管）技术还是有很多优点让它非常适合高频应用。InGaP HBT是用GaAs制成的，而GaAs是RF领域用于制造RF IC的最常用的底层材料。原因很简单：（1）GaAs的电子活动性比作为CMOS底层材料的硅要高大约6倍；（2）GaAs底层是半绝缘的，而CMOS中的底层则是传导性的。更高的电子活动性带来了更高频率的运行。

GaAs IC被用来在毫米波频段产生功率。CMOS要改进频率性能的唯一方法是降低栅长，但这样又会导致晶体管的不理想状态，而这是功率放大器所忌讳的。半绝缘的GaAs底层可以使IC上实现更好的信号绝缘，并采用损耗更低的无源元件（传输线、感应器和变压器）。而如果底层是传导性的话，就无法实现这一优势。在CMOS中，由于底层较高的传导性，很难构建起功能型微波电路元件，例如高Q感应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，而这样又会增加CMOS设备的制造成本，也会影响人们把CMOS作为第一选择。

InGaP尤其适合要求相当高功率输出的高频应用。InGaP制程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（例如电压调节）。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也会采用包含了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。InGaP的另一个版本InGaP-Plus，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有所改进的新型CDMA和WCDMA PA。

图2：InGaP-Plus层结构示意图。GaAs底层上的是pHEMT，再上面是包含了HBT的层。

先进的硅技术

硅锗(SiGe)是CMOS发展阶段中的重大进展，也是替换GaAs的可靠方案，但迄今为止它并没有集低成本、高产量和性能等众多优势于一身，来满足特殊应用要求。考虑SiGe的OEM还需要寻找稳定的方案，来开发可靠的产品。

比如，WLAN、CDMA和GSM等应用领域的一个问题就是强度：它能否抵抗应用的操作压力？衡量强度的一个因素是指定频率下的击穿电压。InGaP在2.4GHz和5GHz频段下的击穿电压都是14，而SiGe的击穿电压分别为8V和4V，InGaP占得了上锋。硅绝缘体是当前另一个先进的硅技术。但是，它不是一个主流硅制程，因此成本成为了它的劣势。

毫无疑问，CMOS和先进硅制程都实现了巨大的技术改进。硅是基带应用的理想选择，也适合低端PA。但是，对于高性能PA应用，GaAs仍然是主要技术，只有它才能满足大部分高端手机和无线网络设备对性能的苛刻要求。

在集成方面，如果要结合收发器、基带和PA，那么就需要采用一个硅制程。但是，业界在这方面的趋势是继续让PA和接收器彼此分开，采用不同的封装，并以GaAs来实现这样的集成。