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高集成度设计应对无线设备需求

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  在PA方面,设计师面临很高的峰-均值比以及严苛的频谱生长规范的约束。Scintera Networks公司希望能以其SC1887自适应射频功率放大器线性器(RFPAL)系统级芯片(SoC)来满足这种要求,SC1887在射频域可执行复杂的信号处理。SC1887由标准CMOS工艺制造,采用了该公司的千兆赫兹信号处理技术(GSP)。这种可编程模拟信号处理器(ASP)平台,力图降低模拟方案的功耗及实现更小尺寸,而这原本是数字信号处理(DSP)的优势。SC1887射频输入和射频输出方案支持独立于基带和收发器子系统的模块化PA设计。SC1887的功耗小于600mW,非常适合低功率发射器。这款SoC覆盖 698到1000或1800到2800MHz频段。它支持的输入信号带宽可达60MHz、峰均值比为10dB。该芯片可实现将相邻信道泄漏功率比(ACLR)改善至26dB。

  对更高效率的追求,也是Nujira和RF Micro Devices(RFMD)这两家公司开发PA的动力。这两家公司称,无线基础设施供应商能够利用它们的PA开发出可满足世界各种传输标准的单一的多模、宽带射频前端。其PA设计主要针对4G基站,它集成了RFMD的RFG1M09180 180W氮化镓(GaN)宽带功率晶体管与Nujira的Coolteq.h包络跟踪功率调制器。仅使用一个RFG1M器件和一个Coolteq.h模块,这款RFMD Nujira的RF前端就可工作(发射)在728到960MHz频段。它具有45dBm的平均输出功率,效率在50%以上。采用RFMD 目前开发的GaN器件,这两家公司期望只使用三个宽带PA就能覆盖700至2600MHz的蜂窝频率。

  通过采用碳纳米管作为PA晶体管的散热材料,Fujitsu Laboratories(富士通实验室)公司已成功研制出工作在高频、100W级、倒装芯片封装的放大器,它也是针对4G系统移动基站设计的。为获得高频、大功率输出和放大性能,该公司开发出"双面散热"技术,晶体管芯片的两面都可散热。该公司介绍,这项技术还可以使晶体管芯片的尺寸缩小至现有晶体管芯片大小的2/3以内。

  使用倒装芯片结构,碳纳米管焊球(bump)经过放大器顶部电极和基板之间。此外,在放大器的背面加装一个散热器,这样,从放大器的两面都可将热量带走。为在高频获得高放大倍率,互连至少需10μm长。富士通利用铝-铁(Al-Fe)膜将碳纳米管延长至20μm,它与板垂直。与传统方法比,这项新技术有望将散热效率提高1.5倍。

  这项工作凸显了许多移动通信设计工程师对有效热管理的关注。东芝(美国)电子元件公司主管微波、射频和小信号器件的开发经理Homayoun Ghani表示,更高效的设计仅需一个更小的散热器,这使得在移动系统应用中可采用更小更轻的器件。他指出,"接下来面临的挑战主要来自这些小器件产生的热量,以及如何正确地设计一个有能力处理这些热量的系统。"Ghani指出,一些系统集成商采用液冷技术。

  在蜂窝手机集成化设计过程中,会遇到他们自身的障碍。TriQuint公司负责移动器件的市场营销高级主管Shane Smith表示,"对于模拟集成,半导体公司正在开发支持多模、多频段工作的PA。目前,带EDGE和GMSK调制的五频段WCDMA需要客户购买6个PA。 2010-2011年,客户将只需购买一个PA模块就可实现相同功能。"

  以3G/4G融合手机架构为目标,TriQuint Semiconductor提供TriQuint一体化移动前端架构(TRIUMF,图3)。该模块提供了由GSM、EDGE、WCDMA和HSPA组成的射频功能。与标准多频段模块方案比,以这种方式,有望将体积减小50%。通过将4个独立PA模块整合在一起,TRIUMF降低了手机组装成本。由于整合了天线开关、模式/频段(开关)、开关和双工器的集成PA模块会减小前端电路板面积,因而可使射频系统小型化。

  图3:通过使用集成模块替代多个分立模块,手机制造商可以节省大量空间用于功能设计,如Wi-Fi、GPS、蓝牙、照相机以及收音机等。

  图3:通过使用集成模块替代多个分立模块,手机制造商可以节省大量空间用于功能设计,如Wi-Fi、GPS、蓝牙、照相机以及收音机等。

  虽然CMOS在具成本效益的整合方面有许多显著优点,但在手机应用中,CMOS功率放大器一直无法匹敌或超过砷化镓(GaAs)PA的性能。Javelin Semiconductor的营销副总裁Patrick Morgan解释说,"Axiom Microdevices开发出基于分布式有源变换器(DAT)的2G PA架构,DAT是一种模拟技术。ACCO Semiconductor开发出一种用于PA的称为MASMOS的新晶体管技术。总之,各公司试图解决CMOS PA的挑战的方法主要有以下三种:数字信号处理;新型的模拟架构衍生;对标准CMOS工艺流程进行重大变革。"

  针对W-CDMA和HSPA无线通信推出的JAV5001 PA,是采用标准CMOS工艺实现的。JAV5001整合了基带和收发器。在3×3mm封装内,它集成了功率调节、PA偏置、输入和输出匹配以及功率控制电路。JAV5001采用单电源供电。在W-CDMA调制时,其线性输出功率可达28.0dBm。其增益范围从5dB(低功率模式)到27dB(高功率模式)。达到2.5kV的人体模式(HBM) 防静电(ESD)等级。其相邻信道泄漏功率比(ACLR)的典型值是-40dBc(最大值是-38dBc),偏置是±5MHz。在大功率模式,JAV5001的功率附加效率(PAE)是40%;在中 功率模式,JAV5001的PAE是28%。在 2400到2484MHz,其最大噪声是 -150dBm/Hz;在RX频段,噪声是-147dBm/Hz;偏置是190MHz。

  随着数字电路能处理或支持的高频功能越来越多,最大的障碍可能在于保持模拟性能。正如TowerJazz的市场营销及业务拓展总监Ramesh Ramchandani指出的:"力促将数字和模拟功能真正集成于一个芯片内的IC设计人员发现,与单独模拟芯片比,要想从数字/模拟集成芯片中获得预期性能是越来越难了。许多工程师在发挥创造力以寻找能弥补模拟性能不理想的电路方案。但是,其中的一个缺点是这里面必须包含一个额外的电路,而且为得到同等性能,可能需要额外增加电容、电阻、电感等无源元件。"这一历时数十年的困境仍"毫不妥协":集成非常有必要,但不能以牺牲丝毫性能为代价。

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