無線設備射頻功率放大器設計趨勢(上)

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手機、智慧手機、個人導航設備(PND)和MP3播放器等無線通訊設備是目前最炙手可熱的消費電子產品；而功率放大器(PA)則是這些設備中的關鍵元件。因此，PA的重要性以及業界對它的關注一直顯著增加中。一直以來，PA都是電子設備中最主要的功耗來源，影響了行動設備寶貴的電池壽命大幅縮短。例如，一個典型的WiMAX無線電設備中，基頻和收發器的功耗只有大約600mW，而PA的功耗卻佔到將近1.3W。
工程師在設計PA之前，有許多選擇可供他們仔細考慮。設計工程師面臨的第一個問題是：採用矽晶材料還是III-V族材料？本文將概述影響PA設計一些重要問題，並探討多種基礎半導體技術的優缺點，而這些技術將決定於矽晶和III-V族(砷化鎵，即GaAs)材料的爭戰中誰將勝出。
電子產業日新月異，近來的許多技術革新都對PA設計帶來了不可輕忽的影響。包括Wi-Fi、WiMAX和LTE等採用正交頻分多工(OFDM)方案的無線技術，均為PA帶來了一些最具挑戰性的工作環境。
這些無線應用中採用的PA需要高線性度來滿足訊息噪音比(SNR)目標，同時還必須能夠處理與OFDM有關的高峰均值功率比(PARR)。
此外，基於Wi-Fi(802.11)和WiMAX(802.1)的標準是目前中國以及全球成長最快的使用技術。因此，我們必須特別關注低功耗(<1W)、高線性度OFDM PA應用中，GaAs與矽晶的爭奪之戰。
無論PA設計人員選擇矽晶或GaAs元件，他們還必須進一步選擇其它選項，而每個選項都有其優缺點，設計人員必須仔細權衡，以滿足設計應用的特定要求。
例如GaAs方面的各種設計選項：
1. GaAs HBT(基於雙極電晶體)
2. GaAs pHEMT(基於前端FET技術)
3. GaAs BiFET(雙載子型和多種FET技術的混合)
在矽晶方面，工程師可採用以下技術進行設計：
1. CMOS(基於FET)
2. SiGe BiCMOS(速度更高，雙極子型和FET技術的混合)
目前，OFDM PA設計技術選擇有GaAs HBT和SiGe BiCMOS。
迄今為止，GaAs一直廣泛用於OFDM，因為它能夠在轉換頻率(fT)和擊穿電壓之間取得更好的權衡來提供大功率。
最近10年間，矽晶技術發展迅速，要選擇出具有主導優勢的技術變得越來越困難。
直到幾年前，2GHz和/或50mW以上的元件都是採用GaAs來設計；但今天，在接近1W的功率級，可以採用SiGe BiCMOS PA，甚至在10GHz頻率下，這些元件也能夠充分發揮其功能。
如果以效率作為PA設計關鍵，GaAs技術仍然能夠表現出最佳性能，尤其是在功率較大的情況下。此外，GaAs技術還具有更大的擊穿電壓，可以使PA設計更為穩健。不過好消息是，業界已經成功開發了能夠保護擊穿電壓較低的矽晶元件電路。
更複雜的是，對於容許較低輸出功率(小於15dBm)和相當低效率(約10%)的應用中，整合式CMOS PA正開始成為2.4和5GHz的選項之一。
雖然採用了‘SiGe半導體公司’這個名字，但我們其實同時採用了GaAs和矽晶技術來設計PA，因而能夠為設計工程師們針對每一種技術在特定應用中的優缺點提供客觀的看法。

作者：Peter Gammel
技術長
SiGe半導體

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