为什么LTE PA用GaAs工艺而GSM PA用CMOS工艺?

2017-09-14 00:00

小编参加了Qorvo公司发布会，会上了解到Qorvo的主要产品包括GaAS和CMOS 的PA，会后小编提问到这两种PA的区别以及CMOS PA在手机射频上会不会全面取代GaAs的问题？搜索整理之后发给大家。所引用的观点不一定完全正确，大家可以留言补充。

CMOS PA（功率放大器）在2000年前就已经出现，但是一直都处于少量出货阶段,这主要是由于成本和性能难以平衡。进入2G时代，这种低成本PA开始进入手机市场，Axiom（2009年被Skyworks收购）的CMOS PA就实现了千万级的出货量。另一家CMOS PA供应商Amalfi Semiconductor（2012年被RFMD收购）的产品也广泛应用在低成本手机上。2013年2月份，高通宣布推出可以对应LTE的CMOS PA，再一次点燃了CMOS与GaAs之间的战火。高通这个行业老大的首肯大大刺激了CMOS射频元件厂商。初创公司RFaxis凭借多项专利技术，实现了采用纯CMOS技术达到了原本只能由GaAs 或SiGe实现的性能，而成本却只有几分之一，RFaxis的产品已经获得包括高通(Qualcomm) 、博通(Broadcom)以及其他众多无线互联与物联网设备提供商的认可。英飞凌是另一家支持CMOS射频的厂商，多年前就推出了采用CMOS工艺的射频开关。另一家厂商Peregrine(2014年8月Murata宣布收购Peregrine)是SOI（绝缘体上硅）技术的领导者，其UltraCMOS技术为射频产品带来了高度集成的单芯片方案，目前已向市场提供二十多亿个UltraCMOS芯片。

知乎作者：朱建勋

LTE PA难做不止因为频率高。GSM四频分别为850MHz, 900MHz, 1800MHz, 1900MHz。LTE频段覆盖450MHz 至 3800MHz 的 44个频段 (Release 12)。所以单纯从工作频率上看其实差距不是特别大。现在CMOS工艺的fT可以做到150GHz以上，速度其实不是大问题，但是耐压很成问题。

GSM和LTE的一个区别在于调制模式和调制带宽（GSM uplink采用GMSK，LTE uplink采用SC-FDMA）。LTE对PA线性度要求更高，所以耐压高的GaAs工艺更受青睐。而且GaAs衬底损耗小，还可以集成高质量的无源元件。

最近学术界和工业界都在积极地研发CMOS PA。最新进展可以参考ISSCC的相关论文。

知乎作者：王木蠢

主要还是CMOS PA的线性度指标满足不了要求。

目前，CMOS PA主要还是采用cascode结构分担电压，变压器功率合成的结构。采用这种结构，输出功率能够达到要求（大于33dBm），效率也有将近50%，但线性度无法满足要求。

CMOS有更好的集成度，更低的成本，但耐压能力和低阻衬底是硬伤。迁移速度在这个频段已经不是问题了。

知乎作者：萧远山

做PA，首先要保证稳定，Breakdown Voltage和heat必须考虑。而在射频信号下，管子的瞬态电压可能会到很几十V，CMOS工艺能做到10V就不错了吧，GaAs据我所知，win很多工艺都到40多V了。散热的话，这两个都不行。CMOS有一个SOI工艺，可以显著减小寄生电容，但因为多了一层绝缘层，散热更差，一般拿来做SW。

然后就是PA性能。PA性能主要是增益功率效率线性度。LTE应用中，线性是最重要的指标。这一点就决定了CMOS暂时做不了高频的PA。

GaAs HBT输出电流与输入电压呈指数关系，并且它的电子迁移率比硅大5～6倍，电流密度较高，跨导比CMOS高很多，所以在高频和高速应用上，GaAs完爆CMOS。

HBT的开启电压Vbe由外延层的禁带宽度决定，与工艺过程无关，所以有更好的匹配特性。

最后，当然CMOS的好处是便宜。所以CMOS PA是一个方向。前些年很多小公司做，然并卵，都倒闭了，最近又开始有一些大公司在做这个方向，不知道能不能行得通，个人认为主要还是看foundry那边能不能有突破吧。

will.zhang: 我做了四年GaAs,没听说哪家工艺耐压可以到40V，我用到和了解到的工艺VCEbreak电压，最高的也就在20V，40的工艺那是GaN的吧！用于基站的PA需要耐压高！就单独说CMOS工艺目前做到3G的PA，是有公司出来了，比如黑沙的！但也比砷化镓的性能差！CMOS的功率特性远不如砷化镓！

原厂怎么说：

射频前端系统的主控制端主要还是在于数据机平台，而目前LTE数据机早已普遍采用CMOS制程，因此若射频前端系统亦能导入CMOS制程，将大幅提高LTE平台控制介面的整合度。

GaAs是一种化合物半导体，产能及价格波动大，相对而言，以矽(Silicon)制程为基础的CMOS 在制程技术及原物料供应上都较为稳定，且价格更便宜，因而逐渐受到市场青睐；而且，透过平均功率追踪(APT)、封包追踪(ET)、数位预失真 (Digital Pre Distortion, DPD)、天线调谐(Antenna Tuner)等技术的协助，CMOS解决方案已渐渐能满足载波聚合对线性及功耗的需求。

英飞凌目前以CMOS制程生产的天线开关，在线性度、插入损耗(Insertion Loss)等性能表现上，都已通过一线手机大厂的肯定，且认证其效能表现已可媲美GaAS天线开关，并能符合载波聚合功能的需要，其性价比优势尽显。

CMOS功率放大器与现下主流的砷化镓功率放大器各有优缺点，市场上同时对于两种制程技术都有需求，因此短期内仍难以分出绝对胜负，为了不流失任一市场，Skyworks将维持CMOS、GaAs及绝缘层上矽(SOI)射频元件多头并行的策略，以满足各种客户群的需要。