全球首款！基于CMOS工藝的國產(chǎn)化多頻多模線性PA落地問世！

當(dāng)前，隨著5G、WiFi等技術(shù)不斷演進(jìn)與應(yīng)用，射頻前端芯片正迎來新的發(fā)展機(jī)遇。一方面，受益5G頻段增加，射頻前端芯片應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展，市場呈現(xiàn)大幅增長態(tài)勢；另一方面射頻前端芯片技術(shù)高頻化和集成化，為工藝技術(shù)發(fā)展帶來新的變革。盡管以GaAs工藝為代表的III-V族PA仍然為射頻前端芯片主流技術(shù)，但硅基CMOS PA憑借低成本、高集成度、漏電流低、導(dǎo)熱性好等優(yōu)勢，正從非主流應(yīng)用地位轉(zhuǎn)變，將在WiFi、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。

2000年以來，全球大批工程師、科學(xué)家對CMOS PA技術(shù)進(jìn)行了大量的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究，雖曾在線性CMOS PA產(chǎn)業(yè)化折戟，但對CMOS工藝的執(zhí)著從未間斷。過去十年，一批國內(nèi)企業(yè)開始在CMOS PA技術(shù)上有所建樹，特別在低頻 2G、3G上占有一定的市場地位。而一些射頻前端企業(yè)也在持續(xù)研究4G線性CMOS PA，取得了一定發(fā)展成績。地芯科技就是典型的代表，并將于5月18日在上海發(fā)布全球首款線性4G CMOS PA。

PA技術(shù)路線之爭

射頻PA是通信鏈路中至關(guān)重要的器件，負(fù)責(zé)將發(fā)射鏈路中的射頻信號做最后的放大，輸送到天線，也是整個通信鏈路中功耗最大的器件之一。

在低頻 2G、3G時代，CMOS PA 曾經(jīng)憑借低成本優(yōu)勢，以及易于與傳統(tǒng)硅基數(shù)字電路進(jìn)行集成，也出現(xiàn)了短暫的發(fā)展榮光。但從3G時代后，GaAs（砷化鎵）工藝憑借擊穿電壓、輸出功率等優(yōu)勢，開始替代CMOS PA成為主流。

相較于GaAs PA，CMOS PA主要差距在于材料上的劣勢。具體體現(xiàn)在：一是電流密度。GaAs的電子遷移率比Si高出很多，因此HBT器件相較CMOS器件的電流密度也要高出很多。而要達(dá)到相當(dāng)?shù)脑鲆?，往往需要更大的CMOS器件或者更多的級聯(lián)才能匹配到GaAs PA的水平。

二是V_knee電壓和效率。GaAs HBT的I-V curve表現(xiàn)出很低的V_knee電壓，在CMOS器件中隨著V_ds平緩增加的電流，導(dǎo)致了較高的V_knee電壓。這使得在飽和功率下，PA的效率大打折扣，同時也體現(xiàn)出CMOS管子的源漏寄生電阻比較大。

三是擊穿電壓（BV）vs. 截止頻率(f_t)。CMOS工藝的頻率響應(yīng)和工藝節(jié)點(diǎn)強(qiáng)相關(guān)，PA一般工作在f_t十分之一的頻率比較容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計。GaAs HBT的f_t在40G左右，比較適用于sub 6G以下的大部分應(yīng)用；0.35um的CMOS器件f_t在26G左右，45nm的器件可以達(dá)到超過200G的f_t，因此可以觸及毫米波的應(yīng)用場景，22nm更是可以達(dá)到接近500G的截止頻率。因此CMOS工藝隨著工藝節(jié)點(diǎn)縮微化，可以工作在極高的頻率，但最大的硬傷和痛點(diǎn)在擊穿電壓。

資料來源：地芯科技

四是非線性問題。CMOS器件大部分的非線性來自于柵極電容隨電壓變化的改變。由于CMOS器件的電流密度小以及漏極寄生電阻大，輸出超過瓦級的功率需要很大尺寸的場效應(yīng)管，這便直接造成非線性的加劇。

不過，CMOS PA也并非完全劣勢，作為集成電路中最為廣泛使用的工藝技術(shù)，其相較于GaAs等III-V族PA也具有諸多優(yōu)勢，具體如下：

一是集成度。GaAs PA往往需要多顆工藝不同的Die的合封（SiP）來實(shí)現(xiàn)邏輯控制、開關(guān)切換、功率功放、接收放大（FEM）等多種射頻前端的功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂。而分立的PA或者FEM有機(jī)會通過單一CMOS工藝的Die實(shí)現(xiàn)上述全部功能，在一致性、封裝可靠性以及成本上，都具有很大的優(yōu)化和提升空間。

二是低成本。成本是CMOS工藝最大的優(yōu)勢之一，一張12英寸的CMOS晶圓的成本往往與6寸的GaAs晶圓價格相當(dāng)，面積則是4倍。CMOS工藝是最主流的集成電路制程，供應(yīng)鏈和產(chǎn)能豐富，這也是成本方面有巨大優(yōu)勢的原因之一。

三是器件特性。CMOS工藝在器件特性上主要體現(xiàn)在漏電流低和導(dǎo)熱性好。CMOS工藝是天生為數(shù)字電路而生的開關(guān)器件，在關(guān)斷模式下漏電很低，比GaAs器件有數(shù)量級的優(yōu)勢。Si的熱導(dǎo)率是GaAs的3倍，在熱性能方面優(yōu)勢明顯。

四是設(shè)計靈活性。CMOS工藝的開關(guān)特性和豐富的器件種類為設(shè)計師帶來了無限的創(chuàng)造空間。二十多年來，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界不遺余力地在CMOS PA的設(shè)計上貢獻(xiàn)智慧：模擬/數(shù)字預(yù)失真技術(shù)、數(shù)字PA技術(shù)、負(fù)載牽引技術(shù)、數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)等，都可以為CMOS器件的劣勢補(bǔ)上短板，并帶來更多的靈活性、可配性和一致性的提升。

因此，綜合上述，CMOS PA設(shè)計最大的挑戰(zhàn)來自擊穿電壓低和線性度差，而效率和電流密度的劣勢對線性PA設(shè)計的影響相對較弱。

為何線性COMS這么難？

通過上述GaAs PA和CMOS PA對比，可以得出結(jié)論：線性CMOS PA的設(shè)計主要考慮如何提高擊穿電壓以及補(bǔ)償器件自身的非線性。因此，在擊穿電壓、非線性、高頻等優(yōu)勢的支持下，目前III-V族PA在4G、5G大規(guī)模應(yīng)用。

這里要特別提一下CMOS工藝的非線性問題。一直以來，CMOS工藝的非線性特性就是其在4G、5G應(yīng)用上的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一，甚至芯片巨頭高通也因無法解決4G CMOS PA的線性問題“止步于前”。

據(jù)悉，射頻PA可分為飽和PA和線性PA兩種架構(gòu)，分別對恒包絡(luò)（PAR=0dB）的調(diào)制信號（FSK、PSK、GMSK等），存在幅度調(diào)制的通信信號（QAM、ASK、OFDM、CDMA等）進(jìn)行放大。2G GSM、BLE、Zigbee等通信制式是恒包絡(luò)信號，飽和PA即可滿足放大需求；CDMA、3G WCDMA、4G LTE、5G、WiFi4/5/6等為幅度調(diào)制的寬帶信號，需要線性PA進(jìn)行保真放大。

作為摩爾定律的載體，CMOS工藝在過去的數(shù)十年飛速發(fā)展，已經(jīng)成為最成熟的工藝，基于8寸/12寸的大硅片，各大晶圓代工廠的產(chǎn)能豐富。因此，CMOS工藝晶圓的成本相對于基于6寸晶圓的III-V族工藝要低很多（3-4倍）。在現(xiàn)代通信集成電路中，處理器、基帶以及射頻收發(fā)機(jī)等模塊均已使用CMOS工藝量產(chǎn)數(shù)十年，但由于射頻PA對功率等級、線性度、效率、頻率響應(yīng)等特殊的要求，以及其相對收發(fā)鏈路中其他模擬射頻器件較弱的電路復(fù)雜性，大部分的應(yīng)用仍然使用分立的III-V族工藝實(shí)現(xiàn)，尤其是GaAs工藝。

那么，線性4G CMOS PA難度有多大？地芯科技CEO吳瑞礫舉了一個很形象的例子：把一個0-1的信號，線性地放大，讓0.5線性放大到5，1線性放大到10，基本上是一個線性的乘以10倍的系數(shù)放大。但在2G之前，0-1的信號則是非線性放大，無論是0.5，還是1，都是直接放大到10。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度，4G線性CMOS PA的技術(shù)難度就更大。這也是為何高通目前為止也未能實(shí)現(xiàn)4G線性CMOS PA的根本原因。

根據(jù)地芯科技研究分析資料，目前Sub 6G應(yīng)用的量產(chǎn)產(chǎn)品中，不同工藝實(shí)現(xiàn)對射頻PA不同的應(yīng)用覆蓋，但CMOS PA主要應(yīng)用在2G/3G、WiFi 4、IoT等細(xì)分領(lǐng)域。對表2和圖2的分析可以得出以下結(jié)論：

1.集成于SoC的CMOS PA最大Psat功率等級在28dBm左右，主要應(yīng)用于小無線物聯(lián)網(wǎng)（WiFi/藍(lán)牙/Zigbee等各類局域IoT）以及窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）；

2.CMOS工藝實(shí)現(xiàn)用于2G的飽和PA，Psat可達(dá)2W以上（33-35dBm）；

3.GaAs 線性PA主要在Psat 30-36dBm的應(yīng)用中占領(lǐng)大量市場；

4.Psat超過1W的線性CMOS PA只曇花一現(xiàn)于3G時代，并在4G多頻線性PA的產(chǎn)業(yè)鏈中銷聲匿跡；

5.Psat超過36dBm的應(yīng)用，LDMOS和GaN開始成為主流。

表2 Sub 6G應(yīng)用中PA功率等級及工藝使用現(xiàn)狀

資料來源：地芯科技（注：不考慮載波聚合）

圖2 不用應(yīng)用中對PA的Psat等級以及工藝現(xiàn)狀

資料來源：地芯科技

線性CMOS PA不止步于4G！

不過，業(yè)界對線性CMOS PA工藝研發(fā)從未停滯，反而在默默耕耘與發(fā)力，不斷結(jié)出累累碩果。其中，地芯科技CEO吳瑞礫就是堅定的CMOS工藝路線的支持者，當(dāng)然也源于其多年CMOS PA技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗。2013年，在獲得美國德克薩斯理工大學(xué)電子工程碩士學(xué)位后，吳瑞礫便投身到射頻領(lǐng)域的研發(fā)工作，曾帶領(lǐng)團(tuán)隊成功開發(fā)并量產(chǎn)多款應(yīng)用于3G/4G/IoT的功率放大器，包括世界上第一款基于體硅的線性射頻功率放大器產(chǎn)品?；貒?，基于在CMOS PA技術(shù)上豐富的量產(chǎn)經(jīng)驗，于2018年創(chuàng)辦了地芯科技。

“其實(shí)，目前射頻前端的競爭格局是非常激烈的，大多數(shù)企業(yè)都選擇一個同質(zhì)化的技術(shù)路線，利用GaAs工藝來做PA。但地芯科技選擇了低成本的CMOS技術(shù)路線?！眳侨鸬[表示，盡管CMOS在材料上存在一些劣勢，但其具有低成本、穩(wěn)定的供應(yīng)鏈等優(yōu)勢，而且擁有更好的導(dǎo)熱性、漏電性能和抗靜電等特性。因此，持續(xù)看好CMOS PA技術(shù)在低速率的互聯(lián)網(wǎng)連接、大帶寬Wifi、物聯(lián)網(wǎng)終端等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

“CMOS工藝提供了豐富種類的器件，以及靈活的設(shè)計性，通過巧妙的電路設(shè)計，可以通過模擬和數(shù)字的方式補(bǔ)償晶體管本身的非線性。這也是CMOS PA設(shè)計最重要的課題之一?！辈贿^，吳瑞礫也表示，Common-Source架構(gòu)的CMOS PA和HBT的架構(gòu)類似，其非線性實(shí)際上并非特別棘手到難以處理，主要問題在于無法承受太高的電源電壓。

盡管CMOS工藝?yán)щy重重，但地芯科技一直都在挑戰(zhàn)線性4G CMOS PA。攻克了基于擊穿電壓和線性度的兩大技術(shù)難題，以創(chuàng)新的設(shè)計架構(gòu)，成功推出全球首款4G的多頻多模線性CMOS PA，并已經(jīng)開始應(yīng)用在客戶的Cat.1模組產(chǎn)品上！

據(jù)悉，在3.4V的電源電壓下，在CMOS工藝難以企及的2.5G高頻段，該CMOS PA可輸出32dBm的飽和功率，效率接近50%；在LTE10M 12RB的調(diào)制方式下，-38dBc UTRA ACLR的線性功率可達(dá)27.5dBbm（MPR0），F(xiàn)OM值接近70，比肩GaAs工藝的線性PA。在4.5V的電源電壓下，Psat更是逼近34dBm，并在Psat下通過了VSWR 1:10的SOA可靠性測試。該設(shè)計成功攻克了CMOS PA可靠性和線性度的主要矛盾，預(yù)示了線性CMOS PA進(jìn)入Psat為30-36dBm主流市場的可能性。

5月18日，地芯科技將在上海發(fā)布這一款支持4G的線性CMOS PA！再度證明CMOS工藝應(yīng)用于射頻前端創(chuàng)新以及進(jìn)入主流射頻前端市場的可能性！

未來，隨著5G及萬物互聯(lián)的風(fēng)口到來，智能手機(jī)、電腦、智能穿戴、汽車、智能機(jī)器人等都將成為信息交互的智能終端，越來越深入到人們的生活與工作中。作為這些信息交互的底層支撐技術(shù)，CMOS PA也將不斷迭代升級，憑借低成本、集成化等技術(shù)優(yōu)勢，不斷拓展更深、更廣的應(yīng)用場景，主宰“萬物互聯(lián)”時代。

本文參考：地芯科技《線性CMOS PA的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》