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公司博客

5G功率放大器的RF SOI优势

利用格芯的45RFSOI技术,加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的教授Peter Asbeck最近开发了一种功率放大器,工作频率为28 GHz,输出功率为22dBm,且功率附加效率(PAE)提高40%。  对于5G中使用的64QAM OFDM信号回退,即使不进行数字预失真,在10 dB回退时也可达到13 dBm的平均输出功率,PAE达到17%。“对于大多数28 GHz的5G应用来说,这是合适的功率和效率水平,”Asbeck说。

功率放大器(PA)是不同于大多数其他芯片的一种cat,5G无线解决方案所需的PA很可能与如今4G智能手机和基站所使用的PA大为不同。大多数5G无线应用都将使用相控阵天线来聚焦和导引多波束,正是这种在多波束之间分配传输任务的能力,使5G能够实现许多人看来不太可能实现的性能目标。

虽然早期的5G系统将使用6 GHz以下的频率范围,但5G的真正潜力源自于使用24、28和39 GHz毫米波范围内的带宽。其中会部署采用相控阵天线,如4×4阵列,比起现在用来放大单波束、全向信号的功率放大器,这些PA每个的运行功率都更低。

Peter Asbeck,USCD教授

格芯RF业务开发部门总监Ned Cahoon谈到,对于4G无线产品,砷化镓(GaA)一直是引领功率放大器领域的技术。“我们认为,我们正从砷化镓占主导地位的sub-6-GHz体系转向毫米波市场,届时,大多数前端解决方案都将采用硅芯片。”

Cahoon表示,RF SOI技术已经普遍应用于手机开关和天线调谐器中,产品投入量产已逾10年,现在,格芯已经将该技术在45nm节点上提升到 300mm晶圆,因此非常适合用于毫米波5G手机、接入点和基站所需的集成式前端设备中。

Cahoon之所以持这种想法,部分是基于多位重要的教授在功率放大器领域所做的工作,尤其是来自加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的Peter Asbeck教授。Asbeck在麻省理工学院完成博士学位,花费15年时间开发高频率无线技术,成为加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院高性能通信设备和电路的Skyworks教授,此外,他还因为开发GaAs HBT设备成为美国国家工程学院的会员。

技术先进

利用格芯的45RFSOI技术,Asbeck最近开发了一种功率放大器,工作频率为28 GHz,输出功率高达22dBm,且峰值功率附加效率(PAE)超过40%。在5G应用中,传输的波形需要从峰值功率进行大量回退,并具有良好的线性度。  45RFSOI电路的平均输出功率为13 dBm,5G情况下,PAE回退率为17%。“对于大多数5G 28 GHz应用来说,这是合适的功率和效率水平”,Asbeck补充说道,用于传输标准的64 QAM OFDM信号的PA,无需使用昂贵的数字预失真(DPD)滤波技术。他指出,其他研究实验室也相继取得类似成果,但他表明,自己实验室基于45RFSOI的功率放大器“相当先进”。

Asbeck表示:“对于新兴的5G系统插槽,不同技术之间的竞争非常激烈。  45RFSOI即将成为28 GHz和39 GHz下配置5G RF前端模块的理想技术,我认为这个技术很可能成为很多用于5G系统的胜出者。”

 

二堆栈nMOS SOI 28Ghz PA的原理图和芯片显微照片
资料来源:P. Asbeck,UCSD

 

这句话特别有趣,因为在Asbeck的职业生涯中,大部分工作都是关于砷化镓(GaAs),后者能够更加容易地支持功率放大器所需的高电压。自1991年加入UCSD以来,Asbeck一直率先致力于将硅基晶体管串联起来以获得更高的电压,利用这些“堆叠”的晶体管实现所需的输出功率。他说,将四个晶体管串联在一起就足以产生大多数PA所需的电压。(Cahoon表示,简单地说,RF功率等于电压乘以电流,要获得更好的线性电路,就需要更高的电压;与数字IC刚好相反。)

Asbeck很快注意到,存在与45RFSOI竞争的技术,包括砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和硅锗(SiGe)。另一项则是来自格芯的22FDX®技术。在去年的晶圆厂文件博客中,加州大学圣地亚哥分校的另一位教授Gabriel Rebeiz描述了他采用22FDX技术开发低噪声放大器(LNA)的工作

Rebeiz在接受采访时表示,他认为基于22FDX放大器的功率水平可以提高,如此集成5G前端的解决方案就可以被开发出来。但是Rebeiz对Asbeck有关45RFSOI的工作表示赞赏,他说:“将这些功能集成在一起是非常重要的,没有这些功能,就没有(可销售的)部件。”对于RF SOI,除了可堆叠的晶体管PA,您还可以堆叠开关。我的团队和格芯一起,展示出基于45RFSOI的交换机的插入损耗仅为0.8 dB。所以,45RFSOI是一种理想的前端模块技术。”

 

资料来源:格芯

 

除了功率放大器以外,RF前端解决方案还需要集成低噪声放大器和开关,以及移相器和可变增益放大器。Asbeck说,对毫米波开关来说,RF SOI已被证实是“世界上理想的方法”,它比SiGe HBT或GaAs技术中可用的开关“更出色”。

Asbeck表示:“可以肯定的是,5G中的一些应用需要的输出功率高于45RFSOI目前为止展示出的输出功率。”第一代5G部署可能使用基于其他技术(例如SiGe HBT或GaAs或GaN)的PA。  但我们认为,存在一个很好的机会,可以进一步增加45RFSOI可实现的输出功率,让峰值功率进入瓦特范围,从而取代这些槽以及更低功率产品。”

最小化寄生效应

是什么赋予RF SOI优势?Asbeck表示,要达到所需的输出功率水平,“就需要完成晶体管堆叠—也就是说,将多个场效应管(FET)串联起来,从而提高整体的电压处理能力。”45RFSOI的绝缘体上硅结构消除了所有与体效应和衬底电容有关的寄生效应,这些寄生效应会对在体硅CMOS中构建的电路产生阻碍。

此外,45RFSOI具有高电阻衬底,可以“仅可能降低互连和设备的电容”。这三层厚厚的金属层让匹配网络的损耗几乎达到所有集成电路技术中的较低值。此外,高Ft和Fmax值在28 Ghz时提供大量增益”,他说道。

电池寿命对于手机非常重要,它与功率放大器的效率有关。Asbeck表示:“45RFSOI能为28 GHz放大器提供出色效率,与GaAs或GaN的高效率非常接近。我认为,对于我们制造的28 GHz功率放大器,高衬底电阻和厚金属层本身增加了约5%的PAE(功率附加效率)。在简单的二堆栈PA中,关于PAE的记录为47%,饱和输出功率为19.5 dBm。其他几个使用45RFSOI的实验室报告的PAE也在这个范围内。”

Cahoon表示,Asbeck关于45RFSOI的工作已经证明了高速pFET和nFET的价值。Asbeck表示,快速pFET将使互补电路的使用成为可能,而pFET可以改善大多数nFET电路的AM-PM特性。他表示:“我们也对大多数pFET电路持乐观态度,因为比起nFET,这些晶体管的电压处理能力可能更强。”(放大器的AM-PM转换能力是对由系统本身的振幅变化(AM)引起的多余的相位偏差(PM)的测量。)

就我而言,有两点收获。其一,格芯从先进的体硅CMOS工艺技术转向,从而支持RF SOI,是一个明智之举。

从Asbeck、Cahoon和Rebeiz的所述,能让人获得信心,相信毫米波5G无线技术可以实现,基于价格实惠的、高度集成的集成电路,为世界提供出色的快速无线连接。

关于作者

Dave Lammers是固态技术特约撰稿人,也是格芯的Foundry Files的特约博客作者。他于20世界80年代早期在美联社东京分社工作期间开始撰写关于半导体行业的文章,彼时该行业正经历快速发展。他于1985年加入E.E. Times,定居东京,在之后的14年内,足迹遍及日本、韩国和台湾。1998年,Dave与他的妻子Mieko以及4个孩子移居奥斯丁,为E.E Times开设德克萨斯办事处。Dave毕业于美国圣母大学,获得密苏里大学新闻学院新闻学硕士学位。

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