3G功率放大器將促進業(yè)界轉(zhuǎn)向CMOS

在今天的WiFi和藍牙市場上，CMOS功率放大器已經(jīng)占據(jù)了優(yōu)勢地位，然而整個業(yè)界為2G和3G手機開發(fā)CMOS功放的情況卻不容樂觀，至今沒有拿出一款可以同正在使用的GaAs功放相提并論的產(chǎn)品。但是，杰夫林半導體（Javelin Semiconductor）新推出的一款CMOS功放JAV5001，據(jù)信可以超越現(xiàn)有的產(chǎn)品。它擁有一個專利的功率合并器，可以在真實的3G工作條件下使用較低的平均電流。JAV5001還具有一個特色的“帶通”功放結(jié)構(gòu)，它所產(chǎn)生的噪聲要低上10dB，并且?guī)в蟹桥d趣頻帶之外的衰減作用，這樣在某些手機平臺上，就可以取消TX SAW過濾器了。由于性能超過傳統(tǒng)的GaAs功放，同時又能提供實際上無限的生產(chǎn)能力，JAV5001可能引發(fā)手機功放技術(shù)從GaAs向CMOS的大轉(zhuǎn)移。

3G手機中CMOS應用的增長

大約10年前，市場上出現(xiàn)了全球第一款3G手機。盡管它的數(shù)字基帶處理器是完全用標準CMOS工藝來實現(xiàn)的，但其中的模擬功能，包括不同的射頻收發(fā)器以及放大器，都還是使用定制的工藝來實現(xiàn)的，比如SiGe或GaAs。從那時起，CMOS技術(shù)就一直在朝著天線的方向穩(wěn)定地發(fā)展，如圖1所示。今天，在藍牙、WLAN以及其他的手機周邊射頻應用中，CMOS已經(jīng)是具有壓倒性優(yōu)勢的選擇了。

圖1 CMOS技術(shù)在3G手機中的發(fā)展

CMOS技術(shù)能取得增長有多種原因�；鶐�平臺供應商通過在同一基礎平臺上驅(qū)動盡可能多的芯片，提高了規(guī)模經(jīng)濟性。另外還因為GaAs功放所需要的生產(chǎn)線通常更貴，生產(chǎn)批量更小。標準的CMOS生產(chǎn)線可以確保高品質(zhì)及供貨的可靠性，這對于在需求高峰期經(jīng)常需要重新配置的市場來說是非常重要的。另外，CMOS也讓結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新以及用定制工藝不可能實現(xiàn)的關(guān)鍵產(chǎn)品功能得以實現(xiàn)，解除了數(shù)字電路的限制。

CMOS功放面臨的挑戰(zhàn)

功放很長時間以來一直是CMOS的主要陣地，但與此同時，有些技術(shù)問題卻一直難以克服。問題之一是有些人認為CMOS晶體管不夠快，不能支持高頻率低噪聲的應用。到2005年，Silicon Labs推出的Aero收發(fā)器一舉占領了2.5億美元的市場，也平息了這個說法。然后關(guān)注點又轉(zhuǎn)到了CMOS的擊穿電壓限制上。到2007年，Axiom的GSM/GPRS功放推出，它通過在CMOS內(nèi)實現(xiàn)的一個巧妙的結(jié)構(gòu)可以對這些電壓進行有效地管理，但這款產(chǎn)品的弱點又出現(xiàn)在效率方面。Silicon Labs推出的GSM/GPRS功放在實驗室里取得了類似的成績，但同樣地在效率上不盡如人意。

3G網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)為CMOS功放提供了一個絕佳的機會。與2G時代的GSM/EDGE網(wǎng)絡不同，3G網(wǎng)絡要求移動手持設備的傳輸功率必須在一個很寬的范圍內(nèi)進行非常精確的控制，從-50dBm～+24dBm。同時，還要求功放在能在整個輸出功率的范圍上都保持高效率，而不是只在較大功率上。更進一步，功率還必須對溫度、電壓、頻率以及輸出負載阻抗的變化保持高精度。這些系統(tǒng)需求就迫使人們在設計新型的功放電路結(jié)構(gòu)時考慮使用3G CMOS功放，以此來達到較高級別的性能，同時還要注意器件的模型構(gòu)造及模擬。

WCDMA移動手持設備的功能模塊圖實例

圖2顯示了一個包含JAV5001功放的手機單WCDMA頻帶的功能模塊圖。信號由收發(fā)器和基帶（XCVR/BB）發(fā)送和接收。為了降低噪聲，傳輸?shù)男盘栐谟晒Ψ欧糯笄坝蒚X SAW進行過濾。耦合器中可以通過一個弱的傳輸信號，并由基帶探測用于發(fā)射功率控制。在信號連接到天線之前，雙工器在發(fā)射和接收兩條通道上進行額外的過濾。JAV5001功放則集成了完整的功率調(diào)節(jié)、功放偏置、輸入輸出匹配以及功率控制的完整電路。

圖2 包含JAV5001功放的移動手持設備功能模塊圖

ACLR、EVM以及PCDE測量

在對信號進行放大的同時，功放還必須滿足嚴格的線性要求。WCDMA的信號扭曲由相鄰頻道泄漏比（ACLR）、誤差向量放大（EVM）以及峰值編碼域誤差（PCDE）來測量和表示。典型的ACLR在手機輸出功率+24dBm時，應該好于-40dBc（ACLR1）或者好于-55dBc（ACLR2）。EVM的典型值約為4%，而PCDE為-33dB，為3GPP規(guī)格提供明顯的邊界（見圖3）。

圖3 一款已經(jīng)上市的智能手機的ACLR、EVM以及PCDE測量值

功放電流消耗

要保持線性度，功放就會消耗相當大的電流，這對于手機的通話時間、待機時間以及電池壽命都有直接的影響。功放實際消耗的電流還要根據(jù)手機的使用場合以及使用方式來確定。目前的3G手機和數(shù)據(jù)卡一般只是偶爾會在較大功率上工作，絕大多數(shù)時間還是以中等或低輸出功率工作。功放的平均電流用所有輸出功率水平上的電流乗以一個應用配置然后再把所有結(jié)果加起來。每家手機通訊運營商都會根據(jù)從實際應用中手機或數(shù)據(jù)卡測得的輸出功率直方圖來開發(fā)自己的應用配置。用于對WCDMA功放進行基準測試的標準應用配置由GSM協(xié)會發(fā)布，在官方文檔庫中公開，名為“電池壽命測試技術(shù)”。根據(jù)這個應用配置，典型的功放平均電流為30mA～40mA，如圖4所示。JAV5001特別配有一個集成的功率合并器，從而可以實現(xiàn)低于27mA的平均電流。

圖4 從GSMA DG.09應用模型中測得的平均功放電流

帶通功放結(jié)構(gòu)

功放的噪聲是一個經(jīng)常被忽視但實際上非常重要的參數(shù)，它影響到WCDMA接收器的靈敏度，另外對手機中的其他系統(tǒng)也有影響，比如藍牙或者是GPS。GSM/EDGE的2G系統(tǒng)是時分復用系統(tǒng)，與此區(qū)別，WCDMA是一個全雙工系統(tǒng)，這就意味著手機要在發(fā)射器打開時也要能接收信號。為了能夠感應到信號，典型的WCDMA接收器要能接收到天線上低至-110dBm的信號，而與此同時，WCDMA發(fā)射器發(fā)出的信號是24dBm。實際應用中，功放可能要在高達28dBm的情況下工作，以便能夠克服前端損耗，這就要求在功放輸出功率和接收器信號之間，必須有更大的達到138dB的隔離。而且，GPS和藍牙的接收器也必須能在WCDMA傳輸?shù)耐瑫r工作，這就給WCDMA傳輸功率增加了更多的限制。

圖5 杰夫林的帶通功放結(jié)構(gòu)包括了TX SAW過濾器的功能

手機上使用的方法是過濾掉不需要的從傳輸器泄露出來進入接收器頻帶的WCDMA功率。通常，TX SAW可以提供35dB的過濾能力，但同時由于插入損耗的存在，又會對信號造成2dB的衰減。而且，TX SAW過濾器的作用會被功放增益抵消。對傳統(tǒng)的功放來說，這種抵消作用是相當強的。舉例來說，GPS頻率在1575MHz，傳統(tǒng)的功放的提供25dB的增益。JAV5001 CMOS 3G功放使用的另一種架構(gòu)，則能生成一個“帶通”功放效應，可以讓處于目標頻帶之外的信號極大地衰減。在1575MHz上，JAV5001可以將信號衰減8dB，同傳統(tǒng)的功放相比，這就相當于具有33dB的抵消作用。這種抵消作用本質(zhì)上同TX SAW過濾器的作用一樣，所以也可以不再使用這種過濾器。取消TX SAW過濾器不但可以節(jié)省系統(tǒng)材料成本，并且可以讓收發(fā)器和功放都在較低一點的輸出功率上工作，從而可以降低TX電流。圖5中顯示了增益測量值。

業(yè)界標準的尺寸

今天的功放在單頻道設計來說已經(jīng)縮小到3mm X 3mm大小的封裝。而JAV5001已經(jīng)擁有標準的3mm X 3mm的封裝。這款功放還使用兩個模式針腳來實現(xiàn)業(yè)界標準的數(shù)字功率控制。

圖6 JAV5001使用標準的3mm X 3mm封裝，只需要兩個外部元件

長期以來，無線產(chǎn)業(yè)界早已經(jīng)享受到藍牙及WLAN產(chǎn)品上CMOS解決方案的益處，在2G/3G手機中的基帶和收發(fā)器部分也是如此。在多年的研發(fā)及多次失敗之后，一款使用CMOS技術(shù)的功率放大器終于開發(fā)出來了，它不但可以滿足嚴格的性能要求，并且還超越了現(xiàn)有的GaAs器件。在快速增長的3G手機市場上，杰夫林半導體的JAV5001是高性能3G CMOS功放家族中的第一款產(chǎn)品。隨著手機射頻復雜性的持續(xù)增加，再加上對多頻率、頻帶共享以及多模式的需求，JAV5001的推出代表了人們一直期望的一個核心技術(shù)，它將促進整個業(yè)界從GaAs向CMOS技術(shù)轉(zhuǎn)移。

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