CMOS功率放大器技术优化单芯片手机方案设计

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每年生产10多亿部手机的手机市场已成为半导体产业中竞争最激烈的领域。一直有这种说法：诸如砷化镓(GaAs)、横向扩散MOS(LDMOS)或硅锗(SiGe)双极CMOS(BiCMOS)等特殊工艺以不太精尖的几何精度就可提供制造商和设计师所需的短期成本优势和线性调制。但CMOS固有的规模经济驱使业界一直对其进行大量投入，因此其规模也一直且将继续领先于其他的工艺产品。

例如早先由英飞凌、恩智浦和Skyworks等供应商用专门的BiCMOS工艺制造的收发器模块，这些模块改用CMOS实现已有很长时间了，而且在某些场合它还被整合进系统级芯片中的手机主处理器内。设计师一再发现，尽管采用要求苛刻的工艺可能会带来电路模块方面的挑战，但从长期观点看，用标准CMOS实现模拟模块会得到回报。但CMOS工艺一直没能成功进入功放(PA)模块领域，而功放是手机内的一个关键部件。

直到现在，PA的研制都是采用专门的GaAs或LDMOS工艺配以混合模块封装技术实现的，整体上它是一种代价高昂的制造流程，从而使PA占据着手机成本中的一大块。功放要求所采用的特殊半导体工艺能够提供高击穿电压、高增益和高频晶体管元件。混合封装技术提供了高Q无源器件以生成50Ω的匹配电路。采用标准CMOS实现PA，意味着设计师必须面对没有增强型晶体管和高Q无源器件的局面，从而使全集成PA的开发变得极富挑战性。

最近出现了一种有可能利用CMOS工艺制造PA的新技术，这样，PA就可以被放在一个简单塑料封装内。分布式有源变压器(DAT)技术如其所称，其几何结构支持使用Q值相对低的半导体金属来提供基于变压器的匹配电路，从而省去了模块封装。将PA内核分配到几个块中，再利用变压器结构方式整合电源以及其他多项专利技术，就可以省却高击穿电压晶体管。




图1：基于DAT的CMOS功放技术被应用于独立型GPRS手机中。
DAT技术的发明是建立在加州理工学院的研究成果基础上的。Axiom Microdevices公司对这项技术又进行了改进，实现了DAT PA的商用化生产，并对通用分组无线服务(GPRS)PA器件的产品化进行了完善，解决了诸如接收带噪声和需要在高压电池组下工作等具体应用问题。

与GaAs等产品不同，由于功率内核采用CMOS实现，所以偏置和调整GPRS类型PA功率所需的小信号控制电路可与主功率级电路集成在同一裸片内，从而进一步降低了成本。PA内核的集成还为支持线性调制方案提供了更大灵活性。传统上，设计师一直采用如下两种方法之一 ：一个是采用线性调制器和PA的“强制法”；另一个是更先进的“包络重构”法，此时非线性、高效的PA成为极化调制器的内核。

对后一种方法而言，采用传统的PA建构技术将带来严峻的挑战。例如，用特殊工艺实现的PA内核对温度和工艺变化的响应与线性化电路是不同的。这种情况通常会导致极不合理的要求，即最终用户或手机厂商必须增加工厂校准时间来进行补偿，从而增加成本。相反，如果将PA内核与其控制器集成在同一裸片上，则会为监控或控制激励提供多点接入。这样，当设计师开发最佳性能和成本结构的发送架构时，就会有更多选择。

下一步可预期的发展是将PA与手机内的其他组件进一步整合，比如上述已经采用CMOS工艺实现的基带和收发器模块。从大量出货的Axiom公司AX502器件可以看出，基于DAT的CMOS功放技术用在单独的GPRS产品内是可行的。它还具有进一步整合的可能，从而帮助业界继续满足制造商和设计师对体积更小更具成本效益的芯片组的需求，并提供更多功能。