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一 簡(jiǎn)介 這篇文章描述了使用ANADIGICS注冊(cè)專(zhuān)利的BiFET（雙極場(chǎng)效應(yīng)管）工藝的HELP™ (High Efficiency at Low Power)技術(shù)的進(jìn)展。同時(shí)介紹了 ANADIGICS 如何使用這項(xiàng)獨(dú)特工藝及HELP技術(shù)，可以比傳統(tǒng)技術(shù)減少70％的平均電流。 1 為什么需要HELP™ 功率放大器？ 消費(fèi)者對(duì)數(shù)據(jù)和多媒體的需求促使全世界的電信運(yùn)營(yíng)商把2G網(wǎng)絡(luò)升級(jí)至3G 或以上的網(wǎng)絡(luò)。這種趨勢(shì)給了移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)傳遞了很強(qiáng)烈的信號(hào)。 3G手機(jī)除了提供有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格,還必須傳輸更高的功率，更優(yōu)的線(xiàn)性度及更好的效率。最重要的是，3G手機(jī)必須有更長(zhǎng)的通話(huà)時(shí)間，因?yàn)?3G 用戶(hù)需要耗費(fèi)更多時(shí)間使用他們的手機(jī)。 盡管在過(guò)去幾年中，電池技術(shù)不斷改進(jìn)，但是仍然落后于功能擴(kuò)展的需求。設(shè)計(jì)者必須減少手機(jī)功耗來(lái)滿(mǎn)足高功率輸出和更長(zhǎng)通話(huà)時(shí)間的需求,這必須靠手機(jī)的半導(dǎo)體設(shè)備上來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于功率放大器 (PA) 是當(dāng)前龐大需求的其中一個(gè)元件，著重于通過(guò)從功率控制來(lái)減少電流消耗是有非常意義的。 與此相對(duì)應(yīng)，眾多的功率控制功能可以集成到功放模塊上。集成功率控制功能不僅僅強(qiáng)調(diào)當(dāng)前功耗的問(wèn)題，并提供了更有效的手機(jī)設(shè)計(jì)方法。芯片集成允許手機(jī)設(shè)計(jì)師不使用單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器和旁路電容,來(lái)優(yōu)化功率管理和獲取更長(zhǎng)的通話(huà)時(shí)間，同時(shí)降低PCB板的復(fù)雜性。 2 優(yōu)化低功率級(jí)別的要求 控制功放功耗的一種方式是在較寬的輸出功率范圍內(nèi)提高效率。這可以通過(guò)評(píng)估 CDG（CDMA Development Group）或者 GSMA（GSM Association）在 3G 網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)功率分布曲線(xiàn)圖,優(yōu)化功放效率來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖一為 3G 手機(jī)制造商使用的 GSMA的功率分布曲線(xiàn)。 圖一. 3G網(wǎng)絡(luò)的GSMA 功率分布曲線(xiàn) 顯而易見(jiàn)，手機(jī)大部分時(shí)間工作在低功率水平,大約在- 4dBm的功率級(jí)別。假設(shè)在 PA 和天線(xiàn)之間的電路損失大約為 3dB，那么 PA的輸出功率大約為- 1dBm。 在低功率級(jí)別（低于 0dBm）， 功放主要消耗的是靜態(tài)電流。- 1dBm輸出功率時(shí),功放的靜態(tài)電流通常約為50mA。通過(guò)在低功率級(jí)別,減少靜態(tài)流提高功放效率，設(shè)計(jì)師可以大量的減少功率損耗。 然而直到最近，這都還不是可行的。用于手機(jī)的典型雙狀態(tài)的單增益鏈路PA的只能在最大額定功率下進(jìn)行優(yōu)化。這使得手機(jī)在低功率水平下工作時(shí)的效率很低。 當(dāng)然，通過(guò)增加外部的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和偏置電壓控制可以?xún)?yōu)化單鏈路功放在低功率輸出時(shí)的效率，以達(dá)到增長(zhǎng)通話(huà)時(shí)間。但是就像上面所提到的，一個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器也同時(shí)增加手機(jī)的尺寸及成本。此外，這將使設(shè)計(jì)變復(fù)雜，因?yàn)槭謾C(jī)必須在不同的模擬控制狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)。 BiFET 制程 – HELP™ 功率放大器工藝. ANADIGICS 的 InGap-Plus™ 技術(shù)1， 通過(guò)允許設(shè)計(jì)師使用多條增益鏈路來(lái)設(shè)計(jì)功放，解決了功放的優(yōu)化問(wèn)題。這使得功放在不同功率水平可以進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化。 通常意義上所說(shuō)的BiFET 過(guò)程， InGaP-Plus集成了 pHEMT（pseudomorphic High Electron Mobility FET）和 HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）在同一的晶體片上（圖2)。 圖 二. BiFET 工藝 通過(guò)高性能的射頻開(kāi)關(guān)(pHEMT)和功放HBT共存在相同的晶體上，BiFET工藝可以用于設(shè)計(jì)多種增益鏈路的功放，并可以為每一增益鏈路進(jìn)行獨(dú)立的線(xiàn)性度和效率優(yōu)化。InGaP－Plus 使得設(shè)計(jì)師能夠獲取功放的最優(yōu)性能。 HELP™ 功率放大器 – 使用 BiFET 制程 這項(xiàng)技術(shù)最初稱(chēng)為HELP™ (High Efficiency at Low Power)，設(shè)計(jì)成一個(gè)雙狀態(tài)（高功率與低功率）功放。不像單鏈路放大器，它有兩個(gè)增益狀態(tài)， InGaP-Plus™功放可在內(nèi)部對(duì)高功率和低功率進(jìn)行優(yōu)化。單一鏈路功放是不能做到的。 通過(guò)內(nèi)部?jī)?yōu)化的HELP™ 功放可延長(zhǎng)手機(jī)通話(huà)時(shí)間超過(guò)25%。當(dāng)然，像單一鏈路功放一樣，可搭配一個(gè)外部 DC/DC轉(zhuǎn)換器節(jié)省更多電流。但是額外電流的節(jié)省是不值得的，相比增加的費(fèi)用和電路板面積。 第一代使用BiFET 工藝的HELP™，設(shè)計(jì)成一個(gè)雙狀態(tài)功放. 這代功放的功效被優(yōu)化為高功率增益（通常大約28dbm），及16dBm 的中等功率增益 (圖三). pHEMPT 開(kāi)關(guān) 圖三: 集成在HELP™功放里的HBT及 pHEMPT 第二代HELP2™利用 BiFET 工藝在功放的晶體上集成了一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器，這是按照主芯片制造商的要求設(shè)計(jì)的。相對(duì)之下，沒(méi)有 BiFET工藝的功放廠(chǎng)商，不得不在PA模塊中添加另外一個(gè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，這種方法并不適合于縮小功放模塊的尺寸 第三代HELP3 ™（圖 4) 功放增加了一個(gè)第3級(jí)增益狀態(tài)，低功率模式，可以把電流降到7mA。和傳統(tǒng)技術(shù)相比，這將更進(jìn)一步改善功放的功耗，可以減少65%的平均功秏。 最新的HELP4™（圖 4) 為低功率模式增加了一個(gè)低電流通路。與 HELP3™ 功放的 8mA靜態(tài)電流相比，HELP4™ 功放在低功率模式下的靜態(tài)電流為 ~ 3mA。和HELP3™相比，HELP4™ 的平均功耗可以降低20% ，和傳統(tǒng)功放相比，可降低高達(dá) 72% 的功耗（圖 5)。 圖四: HELP3 及HELP4 功放架構(gòu) 圖五: HELP™ 工藝vs平均電流減少 HELP™ 功放的優(yōu)勢(shì)相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手＂類(lèi)似HELP技術(shù)”功放。 HELP™ 功放是基于ANADIGICS BiFET制程專(zhuān)利設(shè)計(jì)出的。在功放上集成開(kāi)關(guān)技術(shù)在設(shè)計(jì)高效率功放方面有很多優(yōu)點(diǎn)。集成的開(kāi)關(guān)提供了足夠的隔離度在高功率和中/低功率模式間切換時(shí)，避免了任何電路震蕩的產(chǎn)生。因此允許設(shè)計(jì)者在不犧牲任何射頻性能下，獨(dú)立地優(yōu)化高功率模式和中/低功率模式。其它的優(yōu)點(diǎn)還包括，BiFET 制程可以集成LDO和其他功能在同一片晶圓上，這樣就即減少了功放模塊的尺寸又提供額外的功能。BiFET 技術(shù)還允許在功放晶圓片上，集成＂菊鏈狀” 耦合器。 此集成技術(shù)還有另一優(yōu)勢(shì)：它使得制造商可將功放模塊更多功能設(shè)計(jì)于更小面積上。 ANADIGICS 現(xiàn)在提供業(yè)界第一個(gè)3x3mm 單頻和 3x5mm 雙頻WCDMA HELP3™功率放大器。 隨著手機(jī)制造商往低電壓邏輯電路演進(jìn)，HELP4™ 技術(shù)可提供1.8V 邏輯電壓設(shè)計(jì)的功放。以BiFET制程技術(shù)完全可能完成所有WCDMA產(chǎn)品線(xiàn)。 二 結(jié)論 ANADIGICS 先進(jìn)的 InGap-Plus™制程是HELP™ 功放技術(shù)的基礎(chǔ)。這項(xiàng)制程允許獨(dú)立的優(yōu)化功放，使其在高，中及低功率模式中，達(dá)到最低的功耗。ANADIGICS 使用這項(xiàng)技術(shù)，提供業(yè)界第一個(gè)3mmx3 mm單頻和 3mmx5 mm 雙頻 WCDMA HELP3™ 功放，并同時(shí)將電路板上的諸多功能，集成于功放晶圓上，因此為客戶(hù)減少了BOM，成本及電路板的空間。 |
