在今天的WiFi和藍(lán)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(gè)業(yè)界為2G和3G手機(jī)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(dǎo)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(gè)專利的功率合并器，可以在真實(shí)的3G工作條件下使用較低的平均電流。JAV5001還具有一個(gè)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(jī)平臺(tái)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(shí)又能提供實(shí)際上無限的生產(chǎn)能力，JAV5001可能引發(fā)手機(jī)功放技術(shù)從GaAs向CMOS的大轉(zhuǎn)移。

3G手機(jī)中CMOS應(yīng)用的增長

大約10年前，市場上出現(xiàn)了全球第一款3G手機(jī)。盡管它的數(shù)字基帶處理器是完全用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來實(shí)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(shí)現(xiàn)的，比如SiGe或GaAs。從那時(shí)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(lán)牙、WLAN以及其他的手機(jī)周邊射頻應(yīng)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(jī)中的發(fā)展

CMOS技術(shù)能取得增長有多種原因。基帶平臺(tái)供應(yīng)商通過在同一基礎(chǔ)平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)盡可能多的芯片，提高了規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。另外還因?yàn)?span>GaAs功放所需要的生產(chǎn)線通常更貴，生產(chǎn)批量更小。標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵產(chǎn)品功能得以實(shí)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(shí)間以來一直是CMOS的主要陣地，但與此同時(shí)，有些技術(shù)問題卻一直難以克服。問題之一是有些人認(rèn)為CMOS晶體管不夠快，不能支持高頻率低噪聲的應(yīng)用。到2005年，Silicon Labs推出的Aero收發(fā)器一舉占領(lǐng)了2.5億美元的市場，也平息了這個(gè)說法。然后關(guān)注點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的一個(gè)巧妙的結(jié)構(gòu)可以對這些電壓進(jìn)行有效地管理，但這款產(chǎn)品的弱點(diǎn)又出現(xiàn)在效率方面。Silicon Labs推出的GSM/GPRS功放在實(shí)驗(yàn)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(luò)的結(jié)構(gòu)為CMOS功放提供了一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)。與2G時(shí)代的GSM/EDGE網(wǎng)絡(luò)不同，3G網(wǎng)絡(luò)要求移動(dòng)手持設(shè)備的傳輸功率必須在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行非常精確的控制，從-50dBm～+24dBm。同時(shí)，還要求功放在能在整個(gè)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(jìn)一步，功率還必須對溫度、電壓、頻率以及輸出負(fù)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(shè)計(jì)新型的功放電路結(jié)構(gòu)時(shí)考慮使用3G CMOS功放，以此來達(dá)到較高級別的性能，同時(shí)還要注意器件的模型構(gòu)造及模擬。

WCDMA移動(dòng)手持設(shè)備的功能模塊圖實(shí)例

圖2顯示了一個(gè)包含JAV5001功放的手機(jī)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(jìn)行過濾。耦合器中可以通過一個(gè)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(jìn)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(dòng)手持設(shè)備功能模塊圖

ACLR、EVM以及PCDE測量

在對信號進(jìn)行放大的同時(shí)，功放還必須滿足嚴(yán)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(jī)輸出功率+24dBm時(shí)，應(yīng)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(jī)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(huì)消耗相當(dāng)大的電流，這對于手機(jī)的通話時(shí)間、待機(jī)時(shí)間以及電池壽命都有直接的影響。功放實(shí)際消耗的電流還要根據(jù)手機(jī)的使用場合以及使用方式來確定。目前的3G手機(jī)和數(shù)據(jù)卡一般只是偶爾會(huì)在較大功率上工作，絕大多數(shù)時(shí)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(gè)應(yīng)用配置然后再把所有結(jié)果加起來。每家手機(jī)通訊運(yùn)營商都會(huì)根據(jù)從實(shí)際應(yīng)用中手機(jī)或數(shù)據(jù)卡測得的輸出功率直方圖來開發(fā)自己的應(yīng)用配置。用于對WCDMA功放進(jìn)行基準(zhǔn)測試的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用配置由GSM協(xié)會(huì)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(gè)應(yīng)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(gè)集成的功率合并器，從而可以實(shí)現(xiàn)低于27mA的平均電流。

圖4 從GSMA DG.09應(yīng)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(gè)經(jīng)常被忽視但實(shí)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(jī)中的其他系統(tǒng)也有影響，比如藍(lán)牙或者是GPS。GSM/EDGE的2G系統(tǒng)是時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)，與此區(qū)別，WCDMA是一個(gè)全雙工系統(tǒng)，這就意味著手機(jī)要在發(fā)射器打開時(shí)也要能接收信號。為了能夠感應(yīng)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(shí)，WCDMA發(fā)射器發(fā)出的信號是24dBm。實(shí)際應(yīng)用中，功放可能要在高達(dá)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(dá)到138dB的隔離。而且，GPS和藍(lán)牙的接收器也必須能在WCDMA傳輸?shù)耐瑫r(shí)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(jī)上使用的方法是過濾掉不需要的從傳輸器泄露出來進(jìn)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(shí)由于插入損耗的存在，又會(huì)對信號造成2dB的衰減。而且，TX SAW過濾器的作用會(huì)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(dāng)強(qiáng)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(gè)“帶通”功放效應(yīng)，可以讓處于目標(biāo)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(dāng)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)的尺寸

今天的功放在單頻道設(shè)計(jì)來說已經(jīng)縮小到3mm X 3mm大小的封裝。而JAV5001已經(jīng)擁有標(biāo)準(zhǔn)的3mm X 3mm的封裝。這款功放還使用兩個(gè)模式針腳來實(shí)現(xiàn)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字功率控制。

圖6 JAV5001使用標(biāo)準(zhǔn)的3mm X 3mm封裝，只需要兩個(gè)外部元件

長期以來，無線產(chǎn)業(yè)界早已經(jīng)享受到藍(lán)牙及WLAN產(chǎn)品上CMOS解決方案的益處，在2G/3G手機(jī)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(yán)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(jī)市場上，杰夫林半導(dǎo)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(jī)射頻復(fù)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(gè)核心技術(shù)，它將促進(jìn)整個(gè)業(yè)界從GaAs向CMOS技術(shù)轉(zhuǎn)移。