RF SOI glänzt bei 5G-Leistungsverstärkern

von: Dave Lammers

Unter Verwendung der 45RFSOI-Technologie von GF hat UCSD-Professor Peter Asbeck kürzlich einen Leistungsverstärker entwickelt, der bei 28 GHz arbeitet und eine Ausgangsleistung von 22 dBm sowie eine Leistungszusatzeffizienz (PAE) von mehr als 40 Prozent aufweist. Beim Backoff für die in 5G verwendeten 64QAM-OFDM-Signale erreicht der Verstärker eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 13 dBm bei 10 dB Backoff und 17 Prozent PAE, sogar ohne digitale Vorverzerrung. "Das ist das richtige Maß an Leistung und Effizienz für die meisten 5G-28-GHz-Anwendungen", so Asbeck.

Leistungsverstärker (Power Amplifiers, PAs) unterscheiden sich von den meisten anderen Chips, und die PAs, die für 5G-Mobilfunklösungen benötigt werden, unterscheiden sich wahrscheinlich deutlich von denen, die in den heutigen 4G-Smartphones und -Basisstationen verwendet werden. Die meisten 5G-Mobilfunkanwendungen werden Phased-Array-Antennen verwenden, um mehrere Strahlen zu fokussieren und zu lenken, und es ist diese Fähigkeit, die Übertragungsaufgabe auf mehrere Strahlen aufzuteilen, die 5G in die Lage versetzt, die für viele unwahrscheinlich erscheinenden Leistungsziele zu erreichen.

Während frühe 5G-Systeme den Frequenzbereich unter 6 GHz nutzen werden, liegt das eigentliche Versprechen von 5G in der Nutzung von Bandbreiten im Millimeterwellenbereich von 24, 28 und 39 GHz. Dort werden Phased-Array-Antennen, z. B. ein 4×4-Array, zum Einsatz kommen, wobei jede PA mit einer viel geringeren Leistung arbeitet als die, die zur Verstärkung der heute verwendeten omnidirektionalen Signale mit einem Strahl erforderlich ist.

Ned Cahoon, RF Business Development Director bei GF, sagte, dass Galliumarsenid (GaAs) in der 4G-Mobilfunkgeneration eine führende Technologie im Bereich der Leistungsverstärker gewesen sei. "Wir glauben, dass wir uns von einem Sub-6-GHz-Bereich, in dem Galliumarsenid dominiert hat, zum Millimeterwellen-Markt bewegen, in dem die meisten Front-End-Lösungen aus Silizium bestehen werden.

Cahoon sagte, dass die RF-SOI-Technologie, die bereits seit über zehn Jahren in der Produktion eingesetzt wird und nun von GF auf Wafer mit 300 mm Durchmesser am 45-nm-Knoten erweitert wurde, ideal für integrierte Front-End-Geräte ist, die für 5G-Millimeterwellen-Handsets, Access Points und Basisstationen benötigt werden.

Cahoon stützt diese Überzeugung zum Teil auf die Arbeit mehrerer wichtiger Professoren auf dem Gebiet der Leistungsverstärker, insbesondere von Peter Asbeck an der University of California in San Diego (UCSD). Asbeck promovierte am M.I.T., war 15 Jahre lang in der Industrie mit der Entwicklung von Hochfrequenz-Drahtlostechnologien befasst und wurde zum Skyworks-Professor für Hochleistungs-Kommunikationsgeräte und -schaltungen an der Jacobs School of Engineering der UCSD ernannt. Für seine Entwicklung des GaAs-HBT-Bauteils ist er Mitglied der National Academy of Engineering.

Stand der Technik

Mit der 45RFSOI-Technologie von GF hat Asbeck vor kurzem Leistungsverstärker für 28 GHz entwickelt, die eine Ausgangsleistung von bis zu 22 dBm und eine Spitzen-PAE von mehr als 40 % liefern können. In einer 5G-Anwendung erfordert die übertragene Wellenform ein erhebliches Backoff von der Spitzenleistung und eine ausgezeichnete Linearität. Der 45RFSOI-Schaltkreis bietet eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 13 dBm mit 17 Prozent Backoff-PAE für den 5G-Fall. "Dies ist das richtige Maß an Leistung und Effizienz für die meisten 5G 28 GHz-Anwendungen", sagte Asbeck und fügte hinzu, dass die PA zur Übertragung von Standard 64 QAM OFDM-Signalen verwendet wurde, ohne teure digitale Vorverzerrungstechniken (DPD) einzusetzen. Während er darauf hinwies, dass andere Forschungslabors ähnliche Ergebnisse erzielen, bezeichnete er den 45RFSOI-basierten Leistungsverstärker seines Labors als "ziemlich genau den Stand der Technik".

"Es herrscht jetzt ein intensiver Wettbewerb zwischen den verschiedenen Technologien für die entstehenden 5G-Systemsteckplätze. 45RFSOI steht kurz davor, die ideale Technologie für die Konfiguration der HF-Frontend-Module für 5G bei 28 und 39 GHz zu sein. Ich denke, dass sie sich für sehr viele 5G-Systeme durchsetzen wird", so Asbeck.

Diese Aussage ist besonders interessant, weil Asbeck in seiner Laufbahn viel mit Galliumarsenid (GaAs) gearbeitet hat, das die für Leistungsverstärker erforderlichen hohen Spannungen leichter aufnehmen kann. Seit seinem Wechsel zur UCSD im Jahr 1991 hat Asbeck Pionierarbeit geleistet, indem er Transistoren auf Siliziumbasis in Reihe schaltete, um höhere Spannungen zu erreichen, wobei diese "gestapelten" Transistoren zusammen die erforderliche Ausgangsleistung liefern. Vier Transistoren in einer seriellen Anordnung reichen aus, um die für die meisten PAs erforderlichen Spannungen zu erzeugen, sagte er. (Cahoon sagte, dass, einfach ausgedrückt, die HF-Leistung gleich der Spannung mal dem Strom ist, wobei für optimale lineare Schaltungen höhere Spannungen erforderlich sind; im Grunde das Gegenteil von digitalen ICs).

Asbeck weist darauf hin, dass es konkurrierende Technologien zu 45RFSOI gibt, darunter Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) und Siliziumgermanium (SiGe). Ein weiterer Mitbewerber ist die 22FDX®-Technologie von GF. In einem Blog von Foundry File beschrieb Gabriel Rebeiz, ebenfalls Professor an der UCSD, im vergangenen Jahr seine Arbeit zur Entwicklung rauscharmer Verstärker (LNAs) in der 22FDX-Technologie.

In einem Interview sagte Rebeiz, er glaube, dass die Leistungsstufen in 22FDX-basierten Verstärkern erhöht werden können, so dass integrierte 5G-Frontend-Lösungen entwickelt werden können. Aber Rebeiz zog den Hut vor Asbecks Arbeit im Bereich 45RFSOI: "Es ist wichtig, dass die Funktionen zusammen integriert werden, sonst hat man kein (marktfähiges) Teil. Mit RF SOI kann man nicht nur die PAs mit gestapelten Transistoren, sondern auch die Schalter stapeln. Meine Gruppe hat zusammen mit GF 45RFSOI-basierte Schalter mit nur 0,8 dB Einfügungsdämpfung gezeigt. Ja, 45RFSOI ist eine ideale Technologie für Front-End-Module".

Neben den Leistungsverstärkern müssen RF-Front-End-Lösungen auch rauscharme Verstärker und Schalter sowie Phasenschieber und Verstärker mit variabler Verstärkung integrieren. RF SOI, so Asbeck, hat sich als "weltweit bester Ansatz" für Millimeterwellen-Schalter erwiesen, die die in SiGe HBT- oder GaAs-Technologien verfügbaren Schalter "in den Schatten stellen".

"Es gibt sicherlich einige Anwendungen in 5G, die eine höhere Ausgangsleistung erfordern, als sie bisher in 45RFSOI demonstriert wurde. Bei der ersten Generation von 5G-Anwendungen können PAs in anderen Technologien wie SiGe HBT, GaAs oder GaN eingesetzt werden. Aber wir glauben, dass es eine große Chance gibt, die mit 45RFSOI erreichbare Ausgangsleistung bis in den Watt-Bereich für die Spitzenleistung weiter zu erhöhen und diese Slots sowie die Slots mit geringerer Leistung zu übernehmen", sagte er.

Minimierung von Parasiten

Was gibt RF SOI einen Vorteil? Asbeck sagte, um die erforderliche Ausgangsleistung zu erreichen, müsse man Transistoren stapeln, d. h. eine Reihe von FETs in Reihe schalten, um die Gesamtspannung zu erhöhen. Die Silizium-auf-Isolator-Struktur des 45RFSOI beseitigt alle mit dem Body-Effekt und der Substratkapazität verbundenen Parasiten, die die in Bulk-CMOS hergestellten Schaltungen behindern.

Außerdem verfügt der 45RFSOI über ein hochohmiges Substrat, das "die Kapazitäten der Verbindungen und der Bauelemente minimiert. Die drei dicken Metallschichten sorgen dafür, dass die Verluste der Anpassungsnetzwerke so gut wie bei keiner anderen IC-Technologie so gering sind. Und die hohen Ft- und Fmax-Werte sorgen für eine große Verstärkung bei 28 GHz", sagte er.

Die bei Mobiltelefonen so wichtige Batterielebensdauer hängt mit der Effizienz der Leistungsverstärker zusammen. Asbeck sagte: "45RFSOI hat einen außergewöhnlichen Wirkungsgrad für die 28-GHz-Verstärker, und er ist ziemlich nah an dem besten, der in GaAs oder GaN erreicht wird. Ich denke, dass der hohe Substratwiderstand und die dicken Metalle allein schon etwa 5 Prozent zur PAE (Power Added Efficiency) der 28-GHz-Leistungsverstärker beitragen, die wir hergestellt haben. Unser Rekord liegt bei 47 Prozent PAE, mit einer gesättigten Ausgangsleistung von 19,5 dBm in einem einfachen 2-Stack-PA. Einige andere Labors berichten ebenfalls von PAEs in diesem Bereich, die 45RFSOI verwenden.

Cahoon sagte, dass Asbecks 45RFSOI-Arbeit den Wert von Hochgeschwindigkeits-pFETs zusammen mit den nFETs demonstriert hat. Asbeck sagte, dass die schnellen pFETs die Verwendung von komplementären Schaltungen ermöglichen, wobei die pFETs die AM-PM-Eigenschaften der meisten nFET-Schaltungen verbessern. "Wir sind auch für pFET-Schaltungen optimistisch, weil diese Transistoren potenziell sogar eine bessere Spannungsfestigkeit haben als nFETs", sagte er. (Die AM-PM-Wandlung eines Verstärkers ist ein Maß für den Umfang der unerwünschten Phasenabweichung (PM), die durch systemimmanente Amplitudenschwankungen (AM) verursacht wird).

Für mich gibt es zwei Aspekte, die ich mitgenommen habe. Erstens, dass der "Schwenk" von GF weg vom führenden Bulk-CMOS hin zur Unterstützung von Technologien wie RF SOI ein kluger Schachzug war.

Und wenn man Asbeck, Cahoon und Rebeiz zuhört, spürt man die Zuversicht, dass 5G-Millimeterwellen-Drahtlosverbindungen ohne weiteres erreichbar sind und der Welt unglaublich schnelle drahtlose Verbindungen auf der Grundlage erschwinglicher, hoch integrierter ICs bieten.