HELPTM技术——功率放大器的革命
2010-12-18 11:32:01
来源：《半导体器件应用》2009年4月刊
1 简介
本文描述了使用ANADIGICS注册专利的BiFET（双极场效应管）工艺的HELPTM(High Efficiency at Low Power)技术的进展。同时介绍了 ANADIGICS 如何使用这项独特工艺及HELP技术，可以比传统技术减少70％的平均电流。
2 为什么需要HELPTM功率放大器
消费者对数据和多媒体的需求促使全世界的电信运营商把2G网络升级至3G或以上的网络。这种趋势给移动设备设计传递了很强烈的信号。
3G手机除了提供有竞争力的价格，还必须传输更高的功率，更优的线性度及更好的效率。最重要的是，3G手机必须有更长的通话时间，因为3G用户需要耗费更多时间使用他们的手机。
尽管在过去几年中，电池技术不断改进，但是仍然落后于功能扩展的需求。设计者必须减少手机功耗来满足高功率输出和更长通话时间的需求，这必须在手机半导体设备上来实现。由于功率放大器(PA)是当前庞大需求的其中一个元件，着重于通过从功率控制来减少电流消耗是非常有意义的。
与此相对应，众多的功率控制功能可以集成到功放模块上。集成功率控制功能不仅仅强调当前功耗的问题，并提供了更有效的手机设计方法。芯片集成允许手机设计师不使用单独的DC/DC转换器和旁路电容，来优化功率管理和获取更长的通话时间，同时降低PCB板的复杂性。
3 优化低功率级别的要求
控制功放功耗的一种方式是在较宽的输出功率范围内提高效率。这可以通过评估CDG(CDMA Development Group)或者GSMA(GSM Association)在3G网络中的手机功率分布曲线图，优化功放效率来实现。图1为3G手机制造商使用的 GSMA的功率分布曲线。
显而易见，手机大部分时间工作在低功率水平，大约在-4dBm的功率级别。假设在PA和天线之间的电路损失大约为3dB，那么PA的输出功率大约为-1dBm。
在低功率级别（低于0dBm），功放主要消耗的是静态电流。-1dBm输出功率时，功放的静态电流通常约为50mA。通过在低功率级别，减少静态电流提高功放效率，设计师可以大量的减少功率损耗。
然而直到最近，这些都还不是可行的。用于手机的典型双状态的单增益链路PA的只能在最大额定功率下进行优化。这使得手机在低功率水平下工作时的效率很低。
当然，通过增加外部的 DC/DC 转换器和偏置电压控制可以优化单链路功放在低功率输出时的效率，以达到增长通话时间。但是就像上面所提到的，一个DC/DC转换器也同时增加手机的尺寸及成本。此外，这将使设计变得复杂，因为手机必须在不同的模拟控制状态下进行校准。
4 BiFET工艺—HELPTM功率放大器工艺
ANADIGICS的InGaP-PlusTM技术，通过允许设计师使用多条增益链路来设计功放，解决了功放的优化问题。这使得功放在不同功率水平可以进行独立的优化。
通常意义上所说的BiFET工艺，包括InGaP-Plus集成了 pHEMT(pseudomorphic High Electron Mobility FET)和HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)在同一个晶体片上（图2）。
通过高性能的射频开关(pHEMT)和功放HBT共存在相同的晶体上，BiFET工艺可以用于设计多种增益链路的功放，并可以为每一增益链路进行独立的线性度和效率优化。InGaP－Plus使得设计师能够获取功放的最优性能。
5 HELPTM功率放大器—使用BiFET工艺
这项技术最初称为HELPTM(High Efficiency at Low Power)，设计成一个双状态（高功率与低功率）功放。不像单链路放大器，它有两个增益状态， InGaP-PlusTM功放可在内部对高功率和低功率进行优化。单一链路功放是不能做到的。
通过内部优化的HELPTM功放可延长手机通话时间超过25%。当然，像单一链路功放一样，可搭配一个外部 DC/DC转换器节省更多电流。但是额外电流的节省是不值得的，相比于增加的费用和电路板面积。
第一代使用BiFET工艺的HELPTM，设计成一个双状态功放。这代功放的功效被优化为高功率增益（通常大约28dbm），及16dBm的中等功率增益 （图3）。
第二代HELP2TM利用 BiFET 工艺在功放的晶体上集成了一个电压调节器，这是按照主芯片制造商的要求设计的。相对之下，没有BiFET工艺的功放厂商，不得不在PA模块中添加另外一个芯片来实现此功能，这种方法并不适合于缩小功放模块的尺寸。
第三代HELP3TM（图4）功放增加了一个第3级增益状态，低功率模式，可以把电流降到7mA。和传统技术相比，这将更进一步改善功放的功耗，可以减少65%的平均功耗。
最新的HELP4TM（图4）为低功率模式增加了一个低电流通路。与HELP3TM功放的8mA静态电流相比，HELP4TM功放在低功率模式下的静态电流为近于3mA。和HELP3TM相比，HELP4TM的平均功耗可以降低20%，和传统功放相比，可降低高达72%的功耗（图5）。
6 HELPTM功放的优势
HELPTM功放是基于ANADIGICS BiFET工艺专利设计出的。在功放上集成开关技术在设计高效率功放方面有很多优点。集成的开关提供了足够的隔离度在高功率和中/低功率模式间切换时避免了任何电路震荡的产生。因此允许设计者在不牺牲任何射频性能下，独立地优化高功率模式和中/低功率模式。其它的优点还包括，BiFET工艺可以集成LDO和其他功能在同一片晶圆上，这样就即减少了功放模块的尺寸又提供额外的功能。BiFET技术还允许在功放晶圆片上，集成“菊链状”耦合器。
此集成技术还有另一优势：它使得制造商可将功放模块更多功能设计于更小面积上。ANADIGICS现在提供业界第一个3mm×3mm单频和3mm×5mm双频WCDMA HELP3TM功率放大器。
随着手机制造商往低电压逻辑电路演进，HELP4TM技术可提供1.8V逻辑电压设计的功放。以BiFET制程技术完全可能完成所有WCDMA产品线。
7结论
ANADIGICS先进的InGap-PlusTM工艺是HELPTM功放技术的基础。这项工艺允许独立的优化功放，使其在高，中及低功率模式中，达到最低的功耗。ANADIGICS使用这项技术，提供业界第一个3mm×3mm单频和 3mm×5mm双频 WCDMA HELP3TM功放，并同时将电路板上的诸多功能，集成于功放晶圆上，因此为客户减少了BOM，成本及电路板的空间。
作者介绍
Mahendra Singh是ANADIGICS WCDMA产品总监，他拥有康乃狄克大学电子工程硕士学位，与他联络，您可电邮至msingh@anadigics.com
参考文献
[1] A. Gupta， B. Peatman， M. Shokrani， W. Krystek，T. Arell， InGaP-Plus–A Major Advance in GaAs HBT Technology， 2006 IEEE CSIC Symposium Tech. Dig， p. 179.
本文描述了使用ANADIGICS注册专利的BiFET（双极场效应管）工艺的HELPTM(High Efficiency at Low Power)技术的进展。同时介绍了 ANADIGICS 如何使用这项独特工艺及HELP技术，可以比传统技术减少70％的平均电流。
2 为什么需要HELPTM功率放大器
消费者对数据和多媒体的需求促使全世界的电信运营商把2G网络升级至3G或以上的网络。这种趋势给移动设备设计传递了很强烈的信号。
3G手机除了提供有竞争力的价格，还必须传输更高的功率，更优的线性度及更好的效率。最重要的是，3G手机必须有更长的通话时间，因为3G用户需要耗费更多时间使用他们的手机。
尽管在过去几年中，电池技术不断改进，但是仍然落后于功能扩展的需求。设计者必须减少手机功耗来满足高功率输出和更长通话时间的需求，这必须在手机半导体设备上来实现。由于功率放大器(PA)是当前庞大需求的其中一个元件，着重于通过从功率控制来减少电流消耗是非常有意义的。
与此相对应，众多的功率控制功能可以集成到功放模块上。集成功率控制功能不仅仅强调当前功耗的问题，并提供了更有效的手机设计方法。芯片集成允许手机设计师不使用单独的DC/DC转换器和旁路电容，来优化功率管理和获取更长的通话时间，同时降低PCB板的复杂性。
3 优化低功率级别的要求
控制功放功耗的一种方式是在较宽的输出功率范围内提高效率。这可以通过评估CDG(CDMA Development Group)或者GSMA(GSM Association)在3G网络中的手机功率分布曲线图，优化功放效率来实现。图1为3G手机制造商使用的 GSMA的功率分布曲线。
显而易见，手机大部分时间工作在低功率水平，大约在-4dBm的功率级别。假设在PA和天线之间的电路损失大约为3dB，那么PA的输出功率大约为-1dBm。
在低功率级别（低于0dBm），功放主要消耗的是静态电流。-1dBm输出功率时，功放的静态电流通常约为50mA。通过在低功率级别，减少静态电流提高功放效率，设计师可以大量的减少功率损耗。
然而直到最近，这些都还不是可行的。用于手机的典型双状态的单增益链路PA的只能在最大额定功率下进行优化。这使得手机在低功率水平下工作时的效率很低。
当然，通过增加外部的 DC/DC 转换器和偏置电压控制可以优化单链路功放在低功率输出时的效率，以达到增长通话时间。但是就像上面所提到的，一个DC/DC转换器也同时增加手机的尺寸及成本。此外，这将使设计变得复杂，因为手机必须在不同的模拟控制状态下进行校准。
4 BiFET工艺—HELPTM功率放大器工艺
ANADIGICS的InGaP-PlusTM技术，通过允许设计师使用多条增益链路来设计功放，解决了功放的优化问题。这使得功放在不同功率水平可以进行独立的优化。
通常意义上所说的BiFET工艺，包括InGaP-Plus集成了 pHEMT(pseudomorphic High Electron Mobility FET)和HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)在同一个晶体片上（图2）。
通过高性能的射频开关(pHEMT)和功放HBT共存在相同的晶体上，BiFET工艺可以用于设计多种增益链路的功放，并可以为每一增益链路进行独立的线性度和效率优化。InGaP－Plus使得设计师能够获取功放的最优性能。
5 HELPTM功率放大器—使用BiFET工艺
这项技术最初称为HELPTM(High Efficiency at Low Power)，设计成一个双状态（高功率与低功率）功放。不像单链路放大器，它有两个增益状态， InGaP-PlusTM功放可在内部对高功率和低功率进行优化。单一链路功放是不能做到的。
通过内部优化的HELPTM功放可延长手机通话时间超过25%。当然，像单一链路功放一样，可搭配一个外部 DC/DC转换器节省更多电流。但是额外电流的节省是不值得的，相比于增加的费用和电路板面积。
第一代使用BiFET工艺的HELPTM，设计成一个双状态功放。这代功放的功效被优化为高功率增益（通常大约28dbm），及16dBm的中等功率增益 （图3）。
第二代HELP2TM利用 BiFET 工艺在功放的晶体上集成了一个电压调节器，这是按照主芯片制造商的要求设计的。相对之下，没有BiFET工艺的功放厂商，不得不在PA模块中添加另外一个芯片来实现此功能，这种方法并不适合于缩小功放模块的尺寸。
第三代HELP3TM（图4）功放增加了一个第3级增益状态，低功率模式，可以把电流降到7mA。和传统技术相比，这将更进一步改善功放的功耗，可以减少65%的平均功耗。
最新的HELP4TM（图4）为低功率模式增加了一个低电流通路。与HELP3TM功放的8mA静态电流相比，HELP4TM功放在低功率模式下的静态电流为近于3mA。和HELP3TM相比，HELP4TM的平均功耗可以降低20%，和传统功放相比，可降低高达72%的功耗（图5）。
6 HELPTM功放的优势
HELPTM功放是基于ANADIGICS BiFET工艺专利设计出的。在功放上集成开关技术在设计高效率功放方面有很多优点。集成的开关提供了足够的隔离度在高功率和中/低功率模式间切换时避免了任何电路震荡的产生。因此允许设计者在不牺牲任何射频性能下，独立地优化高功率模式和中/低功率模式。其它的优点还包括，BiFET工艺可以集成LDO和其他功能在同一片晶圆上，这样就即减少了功放模块的尺寸又提供额外的功能。BiFET技术还允许在功放晶圆片上，集成“菊链状”耦合器。
此集成技术还有另一优势：它使得制造商可将功放模块更多功能设计于更小面积上。ANADIGICS现在提供业界第一个3mm×3mm单频和3mm×5mm双频WCDMA HELP3TM功率放大器。
随着手机制造商往低电压逻辑电路演进，HELP4TM技术可提供1.8V逻辑电压设计的功放。以BiFET制程技术完全可能完成所有WCDMA产品线。
7结论
ANADIGICS先进的InGap-PlusTM工艺是HELPTM功放技术的基础。这项工艺允许独立的优化功放，使其在高，中及低功率模式中，达到最低的功耗。ANADIGICS使用这项技术，提供业界第一个3mm×3mm单频和 3mm×5mm双频 WCDMA HELP3TM功放，并同时将电路板上的诸多功能，集成于功放晶圆上，因此为客户减少了BOM，成本及电路板的空间。
作者介绍
Mahendra Singh是ANADIGICS WCDMA产品总监，他拥有康乃狄克大学电子工程硕士学位，与他联络，您可电邮至msingh@anadigics.com
参考文献
[1] A. Gupta， B. Peatman， M. Shokrani， W. Krystek，T. Arell， InGaP-Plus–A Major Advance in GaAs HBT Technology， 2006 IEEE CSIC Symposium Tech. Dig， p. 179.
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