为什么需要HELP™ 功率放大器？ 优化低功率级别有什么要求？

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网络升级至3G 或以上的网络。这种趋势給了移动设备设计传递了很强烈的信号。
　　3G手机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手机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手机。
　　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。设计者必须减少手机功耗来满足高功率输出和更长通话时间的需求，这必须靠手机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來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，并提供了更有效的手机设计方法。芯片集成允许手机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 网絡中的手机功率分布曲线图，优化功放效率来实现。图一为 3G 手机制造商使用的 GSMA的功率分布曲线。
　　
　　图一。 3G网络的GSMA 功率分布曲线
　　显而易见，手机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，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。用于手机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。这使得手机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转换器也同时增加手机的尺寸及成本。此外，这将使设计变复杂，因为手机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™ 功放可延长手机通话时间超过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
　　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。
　　随着手机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。