高集成度设计应对无线设备需求

　　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。

　　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。