男士HELP技术功率放大器的革命模拟电子技术

HELP技术–功率放大器的革命 - 模拟电子技术 - 电子工程

一 簡介

这篇文章描述了使用ANADIGICS注册专利的BiFET（双极场效应管）工艺的HELP (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。

1 为什么需要HELP 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络升级至3G 或以上的络。这种趋势給了移动设备设计传递了很强烈的信号。

3G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必须有更长的通话时間，因为 3G 用户需要耗费更多时间使用他们的。

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。设计者必须减少功耗来满足高功率输出和更长通话时间的需求,这必须靠的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有非常意义的。

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強調当前功耗的问题，并提供了更有效的设计方法他这个婚离得有点不划算。如果这个政策早出台一些。芯片集成允许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。

2 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 絡中的功率分布曲线图,优化功放效率来实现。图一为 3G 制造商使用的 GSMA的功率分布曲线。

图一. 3G络的GSMA 功率分布曲线

显而易见，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。通过在低功率级别则指出了如何才能成为一支真正的世界劲旅：“成为顶尖球队,减少静态流提高功放效率，设计师可以大量的减少功率损耗。

然而直到最近，这都还不是可行的。用于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转换器也同时增加的尺寸及成本。此外，这将使设计变复杂，因为必须在不同的模拟控制状态下进行校准。

BiFET 制程 – HELP 功率放大器工艺.

ANADIGICS 的 InGap-Plus 技術1， 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 过程， InGaP-Plus集成了 pHEMT（pseudomorphic High Electron Mobility FET）和 HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）在同一的晶体片上（图2)。

图 二. BiFET 工艺

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。

HELP 功率放大器 – 使用 BiFET 制程

这项技术最初称为HELP (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-Plus 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HELP 功放可延长通话时间超过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，相比增加的费用和电路板面积。

第一代使用BiFET 工艺的HELP ，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 (图三).

pHEMPT 开关

图三: 集成在HELP 功放里的HBT及 pHEMPT

第二代HELP2 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HELP3 （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%的平均功秏。

最新的HELP4 （图 4) 为低功率模式增加了一个低电流通路。与 HELP3 功放的 8mA静态电流相比，HELP4 功放在低功率模式下的静态电流为 ~ 3mA。和HELP3 相比，HELP4 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)。

图四: HELP3 及HELP4 功放架构

图五: HELP 工艺vs平均电流减少

HELP 功放的优势相比竞争对手＂类似HELP技术”功放。

HELP 功放是基于ANADIGICS BiFET制程专利设计出的。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 制程可以集成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3x3mm 单频和 3x5mm 双频WCDMA HELP3 功率放大器。

随着制造商往低电压逻辑电路演进，HELP4 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。

二 结论

ANADIGICS 先进的 InGap-Plus 制程是HELP 功放技术的基础。这项制程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3mmx3 mm单频和 3mmx5 mm 双频 WCDMA HELP3 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。