蜂窩網絡趨勢引領新工藝前景方向

圖2：這個功放增益塊系列使用了GaAs增強型pHEMT半導體工藝，可減少蜂窩基礎設施應用中需要的總的射頻級數

通過采用系統級封裝（SiP技術），凌力爾特公司鄭重聲明支持在基站中完成直接轉換或中頻（IF）采樣。LTM9004和LTM9005是采用15-x-22-mm LGA封裝的射頻至數字微模塊接收器，其中集成有射頻混頻器/解調器、放大器、無源濾波和14位、125Msample/s的模數轉換器（圖3）。這種接收器的高集成度可以支持更小的電路板或更多通道數量的系統。GaN工藝一直是SiC的強勁競爭對手。比如除了通信應用之外，GaN還被用于替代能源等領域。據RFMD公司MPG高級工程技術部副總裁Joe Johnson和CPG技術平臺部副總裁Todd Gillenwater透露，“GaN是所有半導體材料中具有最高功率密度的材料，其功率密度是硅或GaAs的5至10倍，SiC的2倍。對于射頻應用來說，高功率密度意味著器件可以非常小，而且具有非常小的寄生電容，從而能實現非常大的帶寬和很高的輸入/輸出阻抗。GaN材料也具有特別高的標準電場，這意味著很高的擊穿電壓，因而允許基站工作在高得多的電壓，并轉換為更高的總體系統效率。采用GaN的其它應用包括高功率電子器件，比如轉換器/逆變器和給混合動力汽車提供動力的電機驅動器，以及各種工業應用。GaN產品的高效率使得它是將光伏和風能系統連接到電網的理想選擇。GaN可以使功率電子元件具有更快的開關速度和更低的功耗損失。具有將電網元件的功耗損失減小約30%的能力，從而使得GaN成為了一種真正‘綠色的技術’”。

因為GaN是一種相對不太成熟的技術，因此Johnson和Gillenwater表示GaN仍然相對比較昂貴。但隨著更大直徑基板的推出和產量的提高，成本將很快降下來。RFMD公司的GaN技術至今投產已經有2年半了。在該公司的CATV放大器中，GaN用于HFC網絡，可用于擴展信號從頭端到消費者的信號傳輸范圍。與GaAs放大器相比，RFMD公司聲稱這些放大器可以提供更高的輸出功率。此外，RF393x系列GaN功率晶體管在輸出功率性能方面都要勝過GaAs和硅。

然而，GaAs仍具有關鍵優勢。例如，安華高科技公司最近利用其0.25-μm GaAs增強型pHEMT半導體工藝成功創建了MGA-31589和MGA-31689增益塊功率放大器（PA）。通過提供高增益，這些功放有望大幅減少無線基礎設施應用中需要的射頻總級數（圖2）。此外，來自ADI公司的一系列射頻/中頻可變增益放大器（VGA）同時利用GaAs和SiGe來更好地服務基站、工業/儀器和國防設備。這一系列射頻/中頻VGA（型號為ADL5201、ADL5202、ADL5240和ADL5243）將4個分立的射頻/中頻模塊組合成了一個器件。ADL5201及其雙路版本ADL5202是數字控制的中頻VGA，設計支持高中頻采樣接收器設計（參看“用IC控制無線網絡中的增益”）。

全能型移動設備

除了集成度、性能和功耗要求外，移動設備還必須平衡各種標準和技術。例如包括藍牙、無線局域網（WLAN）、全球定位衛星（GPS）和各種蜂窩標準。隨著智能手機和平板電腦的不斷普及，這種要求將有增無減。

美信集成產品公司的MAX2667/MAX2669是符合這一趨勢的許多產品例子中的一員。作為美信公司GPS/GNSS低噪聲放大器（LNA）系列中最新增加的成員，這些器件利用了SiGe工藝來提高智能手機、個人導航設備和其它手持設備中的GPS接收機靈敏度。與分立或高度集成的CMOS解決方案相比，噪聲系數只有0.65dB的這些LNA無疑會改善接收靈敏度和讀取距離。為了完成板級設計，這兩款LNA只需要4個外部元件（加上一個用于邏輯使能型關斷的可選電阻）。MAX2667/MAX2669均采用1mm2的WLP封裝。

圖3：這些接收器均采用15-x-22mm LGA封裝，支持定向轉換或中頻采樣設計，可為3G/4G蜂窩基站接收器提供架構性技術選擇

RFMD公司還專門針對智能手機和平板電腦推出了許多基于SOI的開關產品。由于這些移動設備中多種射頻標準（GSM/WCDMA/LTE/WiFi/藍牙）要求共存，因此這些開關產品承諾提供領先的開關線性度和諧波性能。RFMD公司的這一SOI開關產品組合包括RF1603A（SP3T）、RF1604（SP4T）和RF1291（SP10T）天線開關模塊。

Skyworks公司提供的一系列表貼功放模塊僅憑單個封裝就能提供完整的寬帶碼分多址（WCDMA）覆蓋，頻率分別覆蓋1920MHz至1980MHz（SKY77701）、850MHz至1910MHz（SKY77702）、1710MHz至1785MHz（SKY77703）、824MHz至849MHz（SKY77704）和880MHz至915MHz（SKY77705）。這些器件可以滿足高速下行鏈路數據包訪問（HSDPA）、高速上行數據包訪問（HSUPA）和長期演進（LTE）數據傳輸的嚴格頻譜線性要求，并具有較高的功率附加效率（PAE）。這些模塊中還集成了定向耦合器，無需再使用任何外部耦合器。臺灣HTC公司推出的包括EVO、Desire HD和Z在內的系列智能手機中就已經采用了這些功放。

顯然，工藝技術為了滿足無線和其它應用需求而推進發展的速度是相當令人驚嘆的。雖然集成技術在更多的時候是首選，但分立技術在智能手機之外的應用中仍有龐大需求。正如RFMD公司的Johnson和Gillenwater總結的那樣，“目前無線應用使用許多種工藝技術，如GaAs HBT、pHEMT、BiFET、SiGe、SOI和CMOS等。在性能方面要求最嚴格的應用將繼續使用化合物半導體。在性能要求不是太高的場合，可以使用硅（Si）。隨著GaAs解決方案的成本持續走低（裸片縮小，更大批量），沒有更好的理由要去改變技術。

“今后幾年值得期待的、令人感興趣的新技術無疑是BiFET和SOI。”他們繼續指出。“SOI對無線應用來說是一種相對新的Si技術，具有一些令人感興趣的射頻特性，因此是低功耗射頻電路和開關的理想解決方案。GaAs BiFET將HBT和pHEMT整合為一種技術，可實現更高集成度而不犧牲性能，同時還能降低成本。LNA、中等功率射頻開關、HBT功放和低密度模塊控制電路可以集成在單塊GaAs基板上。”當然，有關哪種工藝技術能夠最好地服務哪種應用的爭論仍將繼續下去。