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无线技术
3G功率放大器将促进业界转向CMOS
录入时间:2011-3-2 11:18:46

在今天的WiFi和蓝牙市场上,CMOS功率放大器已经占据了优势地位,然而整个业界为2G和3G手机开发CMOS功放的情况却不容乐观,至今没有拿出一款可以同正在使用的GaAs功放相提并论的产品。但是,杰夫林半导体(Javelin Semiconductor)新推出的一款CMOS功放JAV5001,据信可以超越现有的产品。它拥有一个专利的功率合并器,可以在真实的3G工作条件下使用最低的平均电流。JAV5001还具有一个特色的“带通”功放结构,它所产生的噪声要低上10dB,并且带有非兴趣频带之外的衰减作用,这样在某些手机平台上,就可以取消TX SAW过滤器了。由于性能超过传统的GaAs功放,同时又能提供实际上无限的生产能力,JAV5001可能引发手机功放技术从GaAs向CMOS的大转移。

3G手机中CMOS应用的增长

大约10年前,市场上出现了全球第一款3G手机。尽管它的数字基带处理器是完全用标准CMOS工艺来实现的,但其中的模拟功能,包括不同的射频收发器以及放大器,都还是使用定制的工艺来实现的,比如SiGe或GaAs。从那时起,CMOS技术就一直在朝着天线的方向稳定地发展,如图1所示。今天,在蓝牙、WLAN以及其他的手机周边射频应用中,CMOS已经是具有压倒性优势的选择了。


图1 CMOS技术在3G手机中的发展

CMOS技术能取得增长有多种原因。基带平台供应商通过在同一基础平台上驱动尽可能多的芯片,提高了规模经济性。另外还因为GaAs功放所需要的生产线通常更贵,生产批量更小。标准的CMOS生产线可以确保高品质及供货的可靠性,这对于在需求高峰期经常需要重新配置的市场来说是非常重要的。另外,CMOS也让结构上的创新以及用定制工艺不可能实现的关键产品功能得以实现,解除了数字电路的限制。

CMOS功放面临的挑战

功放很长时间以来一直是CMOS的主要阵地,但与此同时,有些技术问题却一直难以克服。问题之一是有些人认为CMOS晶体管不够快,不能支持高频率低噪声的应用。到2005年,Silicon Labs推出的Aero收发器一举占领了2.5亿美元的市场,也平息了这个说法。然后关注点又转到了CMOS的击穿电压限制上。到2007年,Axiom的GSM/GPRS功放推出,它通过在CMOS内实现的一个巧妙的结构可以对这些电压进行有效地管理,但这款产品的弱点又出现在效率方面。Silicon Labs推出的GSM/GPRS功放在实验室里取得了类似的成绩,但同样地在效率上不尽如人意。

3G网络的结构为CMOS功放提供了一个绝佳的机会。与2G时代的GSM/EDGE网络不同,3G网络要求移动手持设备的传输功率必须在一个很宽的范围内进行非常精确的控制,从-50dBm~+24dBm。同时,还要求功放在能在整个输出功率的范围上都保持高效率,而不是只在最大功率上。更进一步,功率还必须对温度、电压、频率以及输出负载阻抗的变化保持高精度。这些系统需求就迫使人们在设计新型的功放电路结构时考虑使用3G CMOS功放,以此来达到最高级别的性能,同时还要注意器件的模型构造及模拟。

WCDMA移动手持设备的功能模块图实例

2显示了一个包含JAV5001功放的手机单WCDMA频带的功能模块图。信号由收发器和基带(XCVR/BB)发送和接收。为了降低噪声,传输的信号在由功放放大前由TX SAW进行过滤。耦合器中可以通过一个弱的传输信号,并由基带探测用于发射功率控制。在信号连接到天线之前,双工器在发射和接收两条通道上进行额外的过滤。JAV5001功放则集成了完整的功率调节、功放偏置、输入输出匹配以及功率控制的完整电路。


图2 包含JAV5001功放的移动手持设备功能模块图

ACLREVM以及PCDE测量

在对信号进行放大的同时,功放还必须满足严格的线性要求。WCDMA的信号扭曲由相邻频道泄漏比(ACLR)、误差向量放大(EVM)以及峰值编码域误差(PCDE)来测量和表示。典型的ACLR在手机输出功率+24dBm时,应该好于-40dBc(ACLR1)或者好于-55dBc(ACLR2)。EVM的典型值约为4%,而PCDE为-33dB,为3GPP规格提供明显的边界(见图3)。


图3 一款已经上市的智能手机的ACLR、EVM以及PCDE测量值

功放电流消耗

要保持线性度,功放就会消耗相当大的电流,这对于手机的通话时间、待机时间以及电池寿命都有直接的影响。功放实际消耗的电流还要根据手机的使用场合以及使用方式来确定。目前的3G手机和数据卡一般只是偶尔会在最大功率上工作,绝大多数时间还是以中等或低输出功率工作。功放的平均电流用所有输出功率水平上的电流乗以一个应用配置然后再把所有结果加起来。每家手机通讯运营商都会根据从实际应用中手机或数据卡测得的输出功率直方图来开发自己的应用配置。用于对WCDMA功放进行基准测试的标准应用配置由GSM协会发布,在官方文档库中公开,名为“电池寿命测试技术”。根据这个应用配置,典型的功放平均电流为30mA~40mA,如图4所示。JAV5001特别配有一个集成的功率合并器,从而可以实现低于27mA的平均电流。


图4 从GSMA DG.09应用模型中测得的平均功放电流

带通功放结构

功放的噪声是一个经常被忽视但实际上非常重要的参数,它影响到WCDMA接收器的灵敏度,另外对手机中的其他系统也有影响,比如蓝牙或者是GPS。GSM/EDGE的2G系统是时分复用系统,与此区别,WCDMA是一个全双工系统,这就意味着手机要在发射器打开时也要能接收信号。为了能够感应到信号,典型的WCDMA接收器要能接收到天线上低至-110dBm的信号,而与此同时,WCDMA发射器发出的信号是24dBm。实际应用中,功放可能要在高达28dBm的情况下工作,以便能够克服前端损耗,这就要求在功放输出功率和接收器信号之间,必须有更大的达到138dB的隔离。而且,GPS和蓝牙的接收器也必须能在WCDMA传输的同时工作,这就给WCDMA传输功率增加了更多的限制。


图5 杰夫林的带通功放结构包括了TX SAW过滤器的功能

手机上使用的方法是过滤掉不需要的从传输器泄露出来进入接收器频带的WCDMA功率。通常,TX SAW可以提供35dB的过滤能力,但同时由于插入损耗的存在,又会对信号造成2dB的衰减。而且,TX SAW过滤器的作用会被功放增益抵消。对传统的功放来说,这种抵消作用是相当强的。举例来说,GPS频率在1575MHz,传统的功放的提供25dB的增益。JAV5001 CMOS 3G功放使用的另一种架构,则能生成一个“带通”功放效应,可以让处于目标频带之外的信号极大地衰减。在1575MHz上,JAV5001可以将信号衰减8dB,同传统的功放相比,这就相当于具有33dB的抵消作用。这种抵消作用本质上同TX SAW过滤器的作用一样,所以也可以不再使用这种过滤器。取消TX SAW过滤器不但可以节省系统材料成本,并且可以让收发器和功放都在较低一点的输出功率上工作,从而可以降低TX电流。图5中显示了增益测量值。

业界标准的尺寸

今天的功放在单频道设计来说已经缩小到3mm X 3mm大小的封装。而JAV5001已经拥有标准的3mm X 3mm的封装。这款功放还使用两个模式针脚来实现业界标准的数字功率控制。


图6 JAV5001使用标准的3mm X 3mm封装,只需要两个外部元件

长期以来,无线产业界早已经享受到蓝牙及WLAN产品上CMOS解决方案的益处,在2G/3G手机中的基带和收发器部分也是如此。在多年的研发及多次失败之后,一款使用CMOS技术的功率放大器终于开发出来了,它不但可以满足严格的性能要求,并且还超越了现有的GaAs器件。在快速增长的3G手机市场上,杰夫林半导体的JAV5001是高性能3G CMOS功放家族中的第一款产品。随着手机射频复杂性的持续增加,再加上对多频率、频带共享以及多模式的需求,JAV5001的推出代表了人们一直期望的一个核心技术,它将促进整个业界从GaAs向CMOS技术转移。


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