射频SOI在5G功率放大器中大放异彩

作者：Dave Lammers戴夫-拉默斯

利用GF的45RFSOI技术，UCSD教授Peter Asbeck最近开发了一个工作在28GHz的功率放大器，输出功率为22dBm，功率附加效率（PAE）超过40%。 当对5G中使用的64QAM OFDM信号进行回退时，该放大器在10dB回退时实现了13dBm的平均输出功率，PAE为17%，即使没有数字预失真。"这对于大多数5G 28 GHz的应用来说是合适的功率和效率水平，"Asbeck说。

功率放大器（PAs）是一种不同于大多数其他芯片的猫，5G无线解决方案所需的PAs可能与今天的4G智能手机和基站所使用的PAs有很大不同。大多数5G无线应用将使用相控阵天线来聚焦和引导多个波束，正是这种在多个波束之间划分传输任务的能力，使5G有能力实现在许多人看来不可能的性能目标。

虽然早期的5G系统将使用6GHz以下的频率范围，但5G的真正前景来自于使用24、28和39GHz毫米波范围的带宽。在那里，将部署相控阵天线，如4×4阵列，每个扩音器的工作功率比现在使用的单波束全向信号的放大功率低得多。

GF的射频业务发展总监Ned Cahoon说，在4G无线时代，砷化镓（GaAs）一直是功率放大器领域的领先技术。"我们相信，我们正在从砷化镓占主导地位的6GHz以下的体制转向毫米波市场，在这个市场上，大多数前端解决方案将是硅的。"

Cahoon说，射频SOI技术已经在手机开关和天线调谐器中普遍存在，该技术已经生产了十多年，现在被GF扩展到45纳米节点的300毫米直径晶圆，是毫米波5G手机、接入点和基站所需的集成前端器件的理想选择。

Cahoon的这一信念部分基于在功率放大器领域工作的几位主要教授所做的工作，特别是加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Peter Asbeck。阿斯贝克在麻省理工学院获得博士学位，在工业界工作了15年，开发了高频无线技术，并成为UCSD雅各布工程学院高性能通信设备和电路的Skyworks教授，并因其开发的砷化镓HBT器件而成为美国国家工程院院士。

艺术现状

利用GF的45RFSOI技术，Asbeck最近开发了工作频率为28GHz的功率放大器，可以提供高达22dBm的输出功率和超过40%的峰值PAE。在5G应用中，传输的波形需要从峰值功率中大幅回退，并具有出色的线性度。 45RFSOI电路提供13dBm的平均输出功率，在5G情况下具有17%的反冲PAE。"这对于大多数5G 28 GHz的应用来说，是合适的功率和效率水平，"Asbeck说，并补充说，该PA用于传输标准的64 QAM OFDM信号，没有使用昂贵的数字预失真（DPD）过滤技术。虽然注意到其他研究实验室正在接近类似的结果，但他把他的实验室的基于45RFSOI的功率放大器描述为 "几乎是最先进的"。

"现在不同技术之间对于新兴5G系统插槽的竞争确实很激烈。 45RFSOI非常接近于成为在28和39GHz配置5G射频前端模块的理想技术。Asbeck说："我认为它有可能成为非常多5G系统的赢家。

这句话特别有意思，因为在他的职业生涯中，阿斯贝克的大部分工作都是在砷化镓（GaAs）领域，砷化镓能够更容易地支持功率放大器所需的高电压。自从1991年搬到加州大学圣地亚哥分校以来，阿斯贝克开创了将硅基晶体管串联起来以达到更高的电压的能力，这些 "堆叠 "的晶体管一起提供所需的输出功率。他说，串联排列的四个晶体管足以产生大多数功率放大器所需的电压。(Cahoon说，简单地说，射频功率等于电压乘以电流，最佳线性电路需要更高的电压；基本上与数字集成电路相反）。

Asbeck很快指出，45RFSOI还有一些竞争技术，包括砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和锗硅（SiGe）。另一个竞争者是GF的22FDX®技术。在去年的Foundry File博客中，UCSD的另一位教授Gabriel Rebeiz描述了他正在进行的开发22FDX技术的低噪声放大器（LNA）的工作。

Rebeiz在接受采访时说，他相信基于22FDX的放大器的功率水平可以提高，从而可以开发集成的5G前端解决方案。但Rebeiz向Asbeck在45RFSOI方面的工作表示敬意，他说："必须将各种功能集成在一起，否则你就没有（可销售的）零件。有了RF SOI，除了堆叠晶体管PA，你还可以堆叠开关。我的小组与GF一起展示了基于45RFSOI的开关，插入损耗只有0.8dB。因此，是的，45RFSOI是一种理想的前端模块技术。"

除了功率放大器，射频前端解决方案还需要集成低噪声放大器和开关，以及移相器和可变增益放大器。Asbeck说，RF SOI已被证明是毫米波开关的 "世界上最好的方法"，它 "胜过 "SiGe HBT或GaAs技术中的开关。

"可以肯定的是，5G中的一些应用需要比迄今为止在45RFSOI中展示的更高的输出功率。第一代5G部署可能采用其他技术的功率放大器，如SiGe HBT或GaAs或GaN。 他说："但我们认为有很大的机会进一步提高45RFSOI可实现的输出功率，使其峰值功率达到瓦特范围，并接管这些插槽以及低功率的插槽。

尽量减少寄生虫

是什么让RF SOI具有优势？Asbeck说，为了达到所需的输出功率水平，"需要进行晶体管堆叠--即把一些场效应晶体管串联起来，这样就可以提高整体的电压处理能力。"45RFSOI的硅-绝缘体结构消除了所有与体效应和衬底电容有关的寄生物，这些寄生物阻碍了用体-CMOS制造的电路。

此外，45RFSOI有一个高电阻率的基底，"将互连以及器件的电容降到最低。三层厚的金属层使匹配网络的损耗在几乎所有集成电路技术中都是最低的。他说："高的Ft和Fmax值在28GHz时提供了大量的增益。

电池寿命在手机中非常重要，这与功率放大器的效率有关。Asbeck说："45RFSOI在28GHz的放大器中具有卓越的效率，而且相当接近于在砷化镓或氮化镓中取得的最佳效率。我认为，高衬底电阻率和厚金属本身为我们所做的28GHz功率放大器的PAE（功率附加效率）增加了约5%。我们的记录是47%的PAE，在一个简单的2叠式功率放大器中，饱和输出功率为19.5 dBm。其他几个实验室使用45RFSOI也报告了这个范围内的PAE。"

Cahoon说，Asbeck的45RFSOI工作已经证明了高速pFET的价值，同时也证明了nFET的价值。阿斯贝克说，快速pFETs将使人们能够使用互补电路，pFETs改善了大部分nFET电路的AM-PM特性。"他说："我们对大部分pFET电路也很乐观，因为这些晶体管实际上有可能比nFET的电压处理能力更好。(放大器的AM-PM转换是衡量系统中固有的振幅变化（AM）所引起的不希望的相位偏差（PM）的数量）。

对我来说，我带走了两个想法。一是GF从领先的块状CMOS中"抽身"，以支持RF SOI等技术，这是一个明智之举。

听了Asbeck、Cahoon和Rebeiz的话，人们感觉到一种信心，即毫米波5G无线技术是很容易实现的，它将为世界提供基于廉价、高度集成的集成电路的令人难以置信的快速无线连接。