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無線設備射頻功率放大器設計趨勢(下)

上網時間: 2010年03月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:功率放大器  射頻  SiGe 

在上期雜誌中,本文針對功率放大器(PA)材料與其基礎半導體技術進行背景分析,瞭解單一設備中使用多種無線電技術所遇到的挑戰,以及數位自適應預失真(DAPD)技術的開發;接下來我們將繼續討論關於PA設計功耗與整合等問題。

耗電量最小化

PA一般是根據額定輸出功率時的耗電量而選擇,功率附加效率(PAE)則常由全功率範圍時加以定義。因此,當輸出功率降低時,從PA流出的電流也隨之降低。但流出的電流與輸出功率並不呈線性關係,例如,如果輸出功率降低50%(3dB),電流一般只減少20%左右。

此外,當輸出功率回退趨近於零時,由於PA產生偏置電流之故,因而電流並不會降至零,而是在PA靜態電流(Icq)處達到飽和。

在許多應用中,靜態電流無關緊要。例如,如果PA在接近最大功率作業時,只要它發射功率,就會產生功耗,而功率回退並不重要,且靜態電流(Icq)也毫無關係。

802.11 WiFi PA就是一個的典型例子。當數據發射時,PA即可啟動並持續在最大功率下作業,但PA在發射脈衝之間則無法啟用,且只消耗洩漏電流。

如果該PA是專為廣泛的發射功率而設計,那麼回退功率級的功耗和Icq就變得十分重要。這一點在CDMA和WiMAX PA中顯然可見。由於整個網路原本就具有功率控制,WiMAX需要至少45dB的最小發射動態範圍。(圖3顯示CDMA和WiMAX網路中行動設備可能的發射功率分佈)。對於CDMA而言,由圖可看出,手機多半在-4dBm時發射,極少在最大功率時發射。

圖3:CDMA和WiMAX網路設備的發射功率分佈。<p>
圖3:CDMA和WiMAX網路設備的發射功率分佈。

正如CDMA設備很少在最大功率時發射訊號一樣,對於WiMAX而言,手機一般也發射10dBm左右的功率。圖3中也標示出一個典型PA的耗電量與輸出功率的關係。由於PA往往在低功率時發射,因此可看出,為了儘可能延長電池壽命,在較低輸出功率下儘量最小化耗電量至關重要。

至於在回退功率下獲得高效率的表現情形,不同技術間的差異並不大──這些技術表現都相當差。例如,典型WiMAX PA的Icq為100mA。如果假設PA在0dBm功率時電流為Icq,則功耗為330mW,且在0dBm輸出功率下效率只有0.3%,而在全額定功率下的效率約為20%。

在低輸出功率時降低功耗

在低輸出功率時可用於降低功耗的有效技術,是在低輸出功率時跳過輸出階段,直接傳送RF能量至最後階段。輸出級是最重要的階段,並吸取最多電流。由於旁路輸出級因而未消耗任何電流,使得這項技術能夠有效降低增益,從而顯著減少PA所消耗的電流。

開關是進行輸出級旁路最受歡迎的方法。其中最常用的是具有FET開關的技術,因為這些元件的損耗更低,而且線性度更高。因此,採用pHEMT或GaAs BiFET製程都是不錯的選擇。SiGe BiCMOS製程也十分適於開發低靜態電流元件。目前的絕緣上覆矽(SOI)技術已能開發出媲美於GaAs開關的SOI開關。

利用GaAs HBT或CMOS技術來製造高效開關就顯得困難許多,因此,這些技術通常不適用於實現超低靜態電流的輸出級旁路方案。

PA與漏電流

如果無線系統未發射任何數據,PA就會被停用,在理想情況下,此時應該是完全無功耗的。然而,除非開關與驅動PA的供電電源串聯(但在成本、尺寸與功耗考量下,這種方案並不可行),不然PA一般還是存在著施加於集電極(雙極子元件)或汲極(FET元件)上的供電電壓。儘管PA可被‘關斷’,但在實際情形中,即使PA停用,也總會有少量的漏電流流動。這種漏電流屬於一種寄生型電池洩漏,將會縮短行動設備的待機時間。對於手機這種待機時間至關重要的設備而言,低漏電流是一項不可或缺的嚴格要求。

在前面已討論過的技術中,大多數的方案均可用以解決滿足低漏電流要求的技術挑戰。目前所開發的GaAs HBT、SiGe HBT和CMOS PA一般都能滿足10μA以下低漏電流的要求。

一般來說,pHEMT PA的漏電流高於以其它技術製造的PA。從技術層面來說,pHEMT的閘極看起來像一個二極體,所以閾值電壓必須相當低(大幅小於一個二極體的電壓壓降)。因此,在該閘極上施加0V,可能產生可測量的漏電流。其它技術具有絕緣閘極,因而閾值電壓較高,漏電流則因而較小得多。


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