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面向3G手机应用的低成本CMOS功率放大器技术

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  是否有可能为3G手机制造一种能效与功能可媲美砷化镓功率放大器(GaAs PA)的低成本CMOS PA?对于这个问题,法国Acco半导体公司相信他们已经找到了实现途径。

  但观察人士仍然质疑该公司的MASMOS技术是否能够兑现承诺。一位分析师认为,面向3G手机的CMOS PA可能没有实际意义,因为市场上已经涌现出了越来越多将功放、滤波和CMOS控制器封装在一起的前端模块。虽然CMOS技术一直用于GSM手机功率放大器,同时也用于满足蓝牙和无线局域网(WLAN)的功放要求,但对于调制方案更复杂、频率更高的演进型3G(evolved 3G)及WiMax而言,GaAs或类似技术迄今为止都是必不可少的。

  “目前功放所用的GaAs技术与CMOS技术之间的主要区别在于器件的击穿电压,”Acco的创始人兼首席技术官Denis Masliah解释道。“在饱和放大器中,对于极高效率的方式而言,在偏置电压为3V的情况下,通过器件的电压可达12V或更高。而在线性放大器中,由于远离饱和区,故必需一个等效电压偏移来限制最高功率等级时的失真。”

  “此外,还必须承受(阻抗)与器件天线的失配问题。这可能在器件上产生很大的电压,若其电压能力过低,就可能造成器件的损坏,”Masliah表示。他指出:“Acco的MASMOS技术可以解决目前RF所用的从180nm到65nm所有CMOS技术的击穿问题。MASMOS具有相当于GaAs器件的增益能力,击穿电压一般可在14V以上。”

  Masliah透露,Acco公司正在为其CMOS功率放大器概念“申请一系列专利”,但他不愿意详细谈及MASMOS技术的具体情况,亦即Acco是如何提高CMOS的抗击穿能力的。他只是告知MASMOS不仅仅是一个设计或架构性调整而已。

  然而,若该项新技术意味着在工艺上有某种物理性改变的话,这会让它成为非标准CMOS吗?“我们不愿讨论这一点,”Masliah称,“这种技术可从90nm升级到65nm、45nm等,适用于任何CMOS代工厂,可以在绝缘硅(SOI)晶圆上实现。”他接着表示:“我们的目标是在2009年让产品进入手机应用。”

  应用前景有喜有忧

  Acco希望开拓一个数十亿美元规模的市场,把在这一过程中将自身转型为无晶圆厂设计公司。该公司自1994年以来一直从事RF IC设计服务工作。“我们与20家不同的公司合作,其中包括拥有自己的芯片的系统厂商,也包括外包额外工作给Acco的半导体公司,”Masliah提到。

  在与这些公司合作之后,Acco公司就迎来了Masliah所称的将CMOS用于功率放大器方面取得的“突破”。他找上了英国风险投资公司Pond Venture Partners,对于这项技术可使他的公司从设计服务转型为无晶圆厂半导体公司信心满满。

  Pond对Acco及其CMOS功率放大器留下深刻印象,遂与Partech International公司一起向Acco提供1,000万美元的风险投资。这笔资金中的一半在2007年初提供给Masliah,用于原型制造以验证他的设想。Acco还吸引了Jamie Urquhart担任临时CEO,而Urquhart是ARM公司前首席运营官,现在也是Pond的一位合伙人。

  “这项技术的应用领域可以超越PA,”Urquhart称。“但即便Acco只关注手机PA应用,其市场也大到足以值得这样做。”

  市场研究公司Gartner的研究副总裁Stan Bruederle毫不怀疑这一市场的庞大规模。不过他认为,CMOS技术在WCDMA和EDGE方面的应用迄今还不成熟,原因就在于这两者需要较大范围的线性工作功率。“功率放大可以从10W下降到2W,但仍然具有10W的瞬间峰值功率。其结果是,为支持峰值信号,大多数时间的工作效率都只有10%或5%。”

  同时,Bruederle还表示,“封装中包含有滤波、PA和CMOS控制器的前端模块正越来越普及。一旦模块中包含了PA,向CMOS PA的转移可能就是不必要的了。”

  据Bruederle称,包括WLAN和手机在内的PA总体市场在2006年为18.5亿美元,比2005年的14.3亿美元有显著增长,而今年几乎肯定会超过20亿美元。但该市场的扩张主要来自于单位出货量的快速增长,同时制造商必须面对平均销售价格不断下滑的局面。手机现在一般有2或3个板载PA,并增加了蓝牙和Wi-Fi功能,从而使得市场上的年单位出货量达到20亿左右。

  Bruederle认为:“它很难取代GaAs。没有证据显示(PA市场)将转向CMOS;如果有的话,也是向GaAs转移。我尚未看到支持CMOS放大器的强力理由,而且向模块方向发展的趋势也与集成化相背离。”

  位于英国剑桥的Nujira公司首席技术官Gerard Winpenny指出,通信基站的功率要求要高得多,往往采用以LDMOS硅技术或氮化镓制造的功率放大器。这家公司主要致力于开发通过架构性技术提高基站功率放大效率的产品。“调制的本性使得下行链路(从基站到手机)的效率极为低下,除非采取一些相应措施。上行链路则没有那么关键。”

  Winpenny认为CMOS PA超越GSM手机和蓝牙,进入调制方案更复杂、载波频率更高的“演进型3G”和WiMax应用领域是十分困难的。但他承认,这种具有类似于GaAs性能(就像Acco所承诺的)的CMOS技术可以降低手机成本。

  不过,“说是很容易的,”Winpenny表示。“布丁好不好,吃了才知道。”

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