详解射频功率放大器市场/工艺/偏向

>2019-05-19 15:36:04 来源:电子发烧友
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一、射频芯片市场
根据 Yole Development 的统计,2G 制式智能手机中射频前端芯片的价值为0.9 美元,3G 制式智能手机中大幅上升到3.4 美元,支撑地区性4G 制式的智能手机中射频前端芯片的价值已经到达6.15美元,高端LTE 智能手机到达12-15 美元,是2G 制式智能手机中射频前端芯片的17 倍。估计到2023 年手机射频(RF)前端模块和组件将到达350 亿美元,17-23 年复合年增长率为14%。
 
各种手机射频前端组件的增速不一,如天线调谐器(Antenna tuners)
 
的复合年增长率为40%,滤波器(Filters)的复合年增长率为21%,射频开关(Switches)的复合年增长率为12%,而射频功率放大器和低噪声放大器(PAs & LNAs)的复合年增长率仅为1%。
 
4G多模多频手机所需的PA芯片增至5-7颗,StrategyAnalytics预测称5G时代手机内的PA或多达16颗之多。就工艺资料来说,目前砷化镓PA是主流,CMOS PA因为参数机能的影响,只用于低端市场。4G分外是例如高通等LTE cat16,4x20MHZ的载波聚合技术,对PA线性度高Q值翟墼勖请求,会进一步依赖砷化镓PA。同时,据Qorvo预测,跟着5G的普及, 8GHz如下砷化镓PA仍是主流,但8GHz以上氮化镓有望在手机市场成为主力。跟着无线通讯协定的复杂化及射频前端芯片设计的赓续演进, PA设计厂商往往将开关或双工器等功效与功率放大电路集成在一个芯片封装中,构成多种功效组合。根据实际环境,TxM(PA+Switch)、PAD(PA+ Duplexer)、 MMPA(多模多频PA)等多种复合功效的PA芯片范例。
 
二、什么是RF功率放大器
功率放大器是把输入信号放大并向负载供给足够大的功率的放大器。射频功率放大器(RF PA)是发射体系中的重要部分,其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所发生的射频信号功率很小,必要颠末一系列的放大(缓冲级、中央放大级、末级功率放大级)获得足够的射频功率以后,能力馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输入功率,必需采纳射频功率放大器。在调制器发生射频信号后,射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。
 
 
放大器的功效,行将输入的内容加以放大并输入。输入和输入的内容,咱咱咱们称之为“信号”,往往表示为电压或功率。射频功率放大器的重要技术偏向是输入功率与效力,如何提高输入功率和效力,是射频功率放大器设计偏向的中央。通常在射频功率放大器中,可以或许或许用LC谐振回路选出基频或某次谐波,实现不失真放大。除此之外,输入中的谐波分量还应该尽量地小,以防止对其余频道发生干扰。
 
根据工作状况的分歧,功率放大器可分为:线性功率放大器和开关型功率办法器。
 
线性功率放大器的工作频率很高,但相对频带较窄,射频功率放大器一样平常都采纳选频网络作为负载回路。线性射频功率放大器可以或许或许按照电流导通角的分歧,分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状况。甲类放大器电流的导通角为360°,适用于小信号低功率放大,乙类放大器电流的导通角等于180°,丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状况,丙类工作状况的输入功率和效力是三种工作状况中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类,但丙类放大器的电流波形失真太大,只能用于采纳调谐回路作为负载谐振功率放大。因为调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然接近于正弦波形,失真很小。
 
开关型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA),使电子器件工作于开关状况,常见的有丁(D)类放大器和戊(E)类放大器,丁类放大器的效力高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关情势,晶体管的工作状况要么是开,要么是关,其电压和电流的时域波形不存在交叠现象,所以是直流功耗为零,抱负的效力能到达100%。
 
全体来讲,传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效力低,而开关型功率放大器具有很高的效力和高输入功率,但线性度差。
 
三、功率放大器的工艺
目前功率放大器的主流工艺依然是GaAs工艺。另外,GaAs HBT,砷化镓异质结双极晶体管。此中HBT(heterojuncTIon bipolar transistor,异质结双极晶体管)是一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层构成的双极晶体管。
 
CMOS工艺虽然已经比较成熟,但Si CMOS功率放大器的应用并不普遍。本钱方面,CMOS工艺的硅晶圆虽然比较便宜,但CMOS功放版图面积比较大,再加上CMOS PA复杂的设计所投入的研发本钱较高,使得CMOS功放全体的本钱优势并不那么显著。机能方面,CMOS功率放大器在线性度,输入功率,效力等方面的机能较差,再加上CMOS工艺固有的缺点:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺基片衬底的电阻率较低。
 
四、功率放大器睁开趋向
英国研究公司Technavio 称,全球功率放大器市场重要有三个四睁开趋向:晶圆尺寸增大;初创企业采纳CMOS 技术;国防领域的高速放大器必要逐渐增大:利用InGaP 工艺,完胜利率放大器的低功耗和高效力。
 
晶圆尺寸变大。半导体行业见证了曩昔40 年晶圆尺寸的变更,砷化镓(GaAs)晶圆尺寸从50mm 增大到150mm,制形本钱低落了20%~25%。目前,业界制作功率放大器通常采纳150mm晶圆。预测150mm 晶圆还将持续应用,因为台湾的稳懋半导体公司等制作商还在大力投资进级和新建150mm 工场。业内正在开拓200mm 晶圆技术,估计2018 年末可以或许或许试临盆。斯坦福大学研究职员正在研究低落200mm GaAs 晶圆的价钱,使其可以或许或许以较低的价钱与硅晶圆争夺市场。同时这也对掩膜版检测设备登晶圆制作设备提出必要。
 
初创公司采纳CMOS技术。一些初创企业,如Acco Semiconductor , 正越来越多的采纳CMOS 技术。Acco Semiconductor 捉住移动手机和物联网产品对射频功率放大器弘大必要的机遇,已经投资350 亿美元扩大其基于CMOS 的射频功率放大器业务。目前绝大多数功率放大器采纳锗硅(SiGe)或GaAs 技术,而非CMOS。但根据申报可知,基于CMOS 工艺有助于实现低本钱、高机能的功率放大器。
 
国防领域必要高速放大器。军事领域必要更高效的利用频谱,更多的应用移动设备来通讯。因此,Technavio 公司称,军事领域请求高速功率放大器。美国国防先期研究计划局(DARPA)在太赫兹电子项目中已获得进展,即美国诺·格公司开拓了出固态功率放大器和行波管放大器,这是仅有的两款太赫兹频率产品。太赫兹频段的功率放大器可用于很多领域,包含高分辨率平安成像、高数据速率通讯、防撞雷达、远距离危险化学品和爆炸物探测体系等,这些设备的高速率运行请求必需应用高速放大器。
 
利用InGaP 工艺,完胜利率放大器的低功耗和高效力。InGaP 分外得当请求相当高功率输入的高频应用。InGaP 工艺的改良让产量取得了提高,并带来了更高程度的集成,使芯片可以或许或许集成更多功效。如许既简化了体系设计,低落了原资料本钱,也节省了板空间。有些InGaP PA 也采纳包含了CMOS 节制电路的多芯片封装。如今,在接收端集成为了PA 和低噪音放大器(LNA)并结合了RF 开关的前端WLAN 模块已经可以或许或许采纳精简型封装。例如,ANADIGICS 公司提出的InGaP-Plus 工艺可以或许或许在同一个InGaP 芯片上集成双极晶体管和场效应晶体管。这一技术正被用于尺寸和PAE(功率增长效力)有所改良的新型CDMA 和WCDMA 功率放大器。
 
五、功率放大器的重要偏向
工作频率规模。一样平常来讲,是指放大器的线性工作频率规模。如果频率从DC 开端,则认为放大器是直流放大器。
 
增益。工作增益是衡量放大器放大能力的重要偏向。增益的定义是放大器输入端口传送到负载的功率与信号源实际传送到放大器输入端口的功率之比。增益平坦度,是指在一定温度下,全体工作频带规模内放大器增益的变更规模,也是放大器的一个重要偏向。
 
输入功率和1dB 压缩点(P1dB)。当输入功率超过一定量值后,晶体管的增益开端下降,最终结果是输入功率到达饱和。当放大器的增益偏离常数或比其余小信号增益低1dB 时,这个点便是大名鼎鼎的1dB压缩点(P1dB)。
 
效力。因为功放是功率元件,必要消耗供电电流。因此功放的效力对付全体体系的效力来讲极其重要。功率效力是功放的射频输入功率与供给晶体管的直流功率之比。
 
交调失真。交调失真是指具有分歧频率的两个或许更多的输入信号颠末过程功率放大器而发生的混合分量。这是因为功放的非线性特质构成的。
 
三阶交调停止点(IP3)。IP3 也是功放非线性的重要偏向。当输入功率一定时,三阶交调停止点输入功率越大,功放的线性度就越好。
 
静态规模。功放的静态规模一样平常是指最小可检测信号到线性工作区最大输入功率之间的差值。自然,这个值确定是越大越好。
 
谐波失真。当输入信号增长到一定程度后,功放会因为工作到了非线性区发生一系列谐波。对付大功率放大器体系中,一样平常必要用滤波器将谐波降到60dBc 如下。
 
输入/输入驻波比。表明功放和全体体系的匹配程度。输入、输入比变坏会导致体系的增益起伏和群时延变坏。但是高驻波比的功放是比较难以设计的,一样平常的体系中,都邑必要请求功放的输入驻波比低于2:1。
 
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