多模多频功率放大器模块助力复杂射频设计

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现代手机需要处理经过复杂调制的蜂窝信号以及蓝牙、WiFi、WiMAX、GPS等其它射频信号。为满足用户对体积小、电池续航时间长的要求,手机需要具有高线性度和低噪能力的单一宽带射频功率放大器(PA)。ANADIGICS、安华高科技(Avago Technologies)、RFMD、Skyworks、意法半导体和TriQuint等公司就是一些推动这一趋势的关键制造商。

  两年多前,ANADIGICS预料到这一需求并推出了3G五频PA模块AWT6223。基于采用了BiFET工艺的HELP2技术,AWT6223功率放大器模块大大降低了工作在WCDMA以及GSM模式下的平均功耗。ANADIGICS现正准备为3G/4G应用推出基于HELP4技术的新一代多模多频段功率放大器模块(图1)。据该公司业务拓展和应用总监Mahendra Singh介绍:“这种衍生自InGaP-Plus的BiFET工艺,能在同一芯片上,同时集成了射频开关、功率放大器和稳压器。另外,它支持制造具有多个增益级的功率放大器、其中每个增益级都对线性和效率进行了优化。”

  


 

  图1:BiFET实现单芯片集成RF开关、多增益PA和一个稳压器。

  ANADIGICS 目前已开发出针对多模、多频段的下一代手机功率放大器。诸如ALT6704,它覆盖了1710MHz到1785MHz的频段3、4和9,可支持CDMA、 WCDMA/UMTS和LTE模式。Singh指出,在其28dBm输出功率时的效率要高出40%;在16dBm输出功率时的效率要高出30%。在整个频谱范围,ALT6704有-40dBc(±5MHz ACLR)的线性度,而静态电流(Icq)只有3mA。“与其它产品不同,基于HELP4的功率放大器不需要DC-DC转换器,因为内部开关能针对不同功率水平提供最佳负载线。”Singh表示。该公司还正在努力开发一款真正融合的3G/4G功率放大器模块,它将支持多种频段和空中接口模式。

  

 

  TriQuint也在进行融合功率放大器模块的开发。它与收发器/基带芯片组厂商合作,正在为多模、多段移动设备开发一种可升级的3G/4G融合射频架构。这款称为TRIUMF的架构可支持3G移动设备使用的多个频段和空中接口,包括:GSM、EDGE、WCDMA和HSPA。TriQuint高级市场营销总监Shane Smith指出,将各功能融合进一个功率放大器模块的作法将比当今分离方案的体积减少50%。TriQuint正同时设计无源和有源射频器件以创造一个宽带射频放大器架构。TRIUMF不仅支持用于语音和低数据速率应用的GSM/GPRS/EDGE模式还支持用于高速数据应用的WCDMA/HSPA /LTE模式。在多频段方面,它可处理传统四频段GSM850/900/DCS1800/PCS1900。这样,它将支持全球范围的WCDMA/HSPA /LTE覆盖。

  这个架构还允诺提供可扩展性和系统级验证。Smith称,TriQuint正与业界领先的3G芯片组供应商紧密合作,进行 TRIUMF架构的设计。TRIUMF的主要优点包括:更长的电池续航时间、降低了的材料成本以及更小型的射频系统。该公司强调,一个整合了天线开关、模式/频段开关和双工器的单一的融合功率放大器模块将显着减小前端的电路板面积。虽然射频开关是采用砷化镓pHEMT器件实现的,但PA将利用磷化铟镓基异质结双极晶体管(HBT)器件。事实上,使其得以实现的技术是混合模式BiHEMT工艺。

RFMD是从事融合方案研发的另一家半导体供应商。该公司已推出一个3G/4G前端平台,它支持覆盖2G/2.5G/3G/4G移动标准多达9个蜂窝频段。除了前端的灵活性,该融合架构提高了功能密度,从而简化了设计、降低了成本并加快了3G和4G多模移动设备的实现,该公司3G/4G产品营销总监Ben Thomas表示。这款名为RF6460的融合平台包括以下内容:RF6260多模、多频功率放大器模块;RF6360天线切换模块 (ASM);RF6560前端电源管理IC。由于对功率放大器进行了精心设计,以使它能在2G工作中,运行于饱和GMSK和线性EDGE架构;在 3G/4G工作中,运行于高效、优化的线性模式。为了去掉隔离器及同时保持宽带和VSWR容错性能,RF6260 功率放大器模块使用了对负载不敏感、平衡(双正交)的架构。为服务多频段配置以及2G和3G/4G工作,它集成了一个SP4T/SP3T模式开关。可扩展的RF6260支持多达五个频段。

  为与功率放大器一起工作,前端电源管理芯片包含一个升压/降压型DC-DC转换器和辅助电荷泵。转换器可迅速对负载和线路瞬态做出响应,所以在很宽的电压范围内,该转换器提供给功率放大器的输出电压的纹波很小。因此,它可动态控制功率放大器的工作状况以实现最佳效率和线性。对RF6360 ASM开关而言,它提供了一个单刀八掷(SP8T)pHEMT开关,该开关支持五个WCDMA频段(1、2、4、5和8)以及两个高频段和两个低频段的 2G/2.5G路径。三线SDI接口允许用户选择ASM的激活路径。

  去年底,Skyworks推出其首款用于4G的多模、多频段频分复用/时分复用(FDD/TDD)功率放大器模块——SKY77441。该公司的高级工程总监Gene Tkachenko介绍,SKY77441是为LTE TDD频段7和LTE FDD频段38和40开发的,是一款完全匹配的表面贴装模块。

  SKY77441 是采用InGaP- BiFET工艺实现的,它以带正交相移键控(QPSK)或16态正交调幅(QAM)信号的全资源块分配提供26dBm以上的线性输出功率。在WCDMA调制时,它提供28dBm以上的线性输出功率。除了带功率检测的功率放大器级以外,该PA模块还集成了输入和输出匹配网络。该公司还正在开发 SKY77441的各种不同版本,以支持新应用所需的更多频段。

  为成功地在单一放大器内整合频段及模式,安华高科技注意到,需要物理上更大的架构。这种架构通常需要额外的、像DC-DC转换器那种不乏昂贵的电路。由于功率放大器之后的开关损耗、不那么优化的负载线、DC-DC 的功耗以及其它问题,这种架构在效率上也受到显著影响。鉴于当今的多频段需求,制造商基本上能以高出10到20%的电流消耗省去一个甚或两个单频功率放大器。因为单一功率放大器一般不超过物料成本的1%,安华高科技的设计师拿不准这是否值得。

  未来,安华高科技预测,三个或更多的功率放大器将会从设计中被淘汰。这应该是在多模、多频应用中采取单一宽带功率放大器模块方案的交叉点。安华高科技计划开发多模、多频功率放大器架构并正朝这一方向努力。该公司的设计师在研究多种架构,其中一些看起来希望较大。但在架构上,该公司还试图确定它具有的优势能显著压倒从成本和性能方面出发的考虑。

  虽然大多数开发商在其有源器件的开发中采取砷化镓和相关的化合物半导体技术,射频CMOS供应商也把目光投向这个利润丰厚的市场。利用一种新颖的功率放大器架构,初创公司Black Sand已研制出一款3G CMOS功率放大器。虽然其第一个版本是特定频段、特定模式的,但多段、多模的CMOS功率放大器也在该公司的研发路线图上。因为有可能在同一个硅芯片上集成数字控制器和电源管理电路,该公司正在研究各种架构,其中要令核心CMOS功率放大器能够针对期望的频段和模式动态地进行重新配置。理想情况下,也还要能对偏置实施动态优化以获得最佳性能。