當前，隨著5G、WiFi等技術不斷演進與應用，射頻前端芯片正迎來新的發展機遇。一方面，受益5G頻段增加，射頻前端芯片應用領域進一步拓展，市場呈現大幅增長態勢；另一方面射頻前端芯片技術高頻化和集成化，為工藝技術發展帶來新的變革。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，但硅基CMOS PA憑借低成本、高集成度、漏電流低、導熱性好等優勢，正從非主流應用地位轉變，將在WiFi、物聯網等應用領域大放異彩。
2000年以來，全球大批工程師、科學家對CMOS PA技術進行了大量的產業化應用研究，雖曾在線性CMOS PA產業化折戟，但對CMOS工藝的執著從未間斷。過去十年，一批國內企業開始在CMOS PA技術上有所建樹，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也在持續研究4G線性CMOS PA，取得了一定發展成績。地芯科技就是典型的代表，并將于5月18日在上海發布全球首款線性4G CMOS PA。
PA技術路線之爭
射頻PA是通信鏈路中至關重要的器件，負責將發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 曾經憑借低成本優勢，以及易于與傳統硅基數字電路進行集成，也出現了短暫的發展榮光。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。而要達到相當的增益，往往需要更大的CMOS器件或者更多的級聯才能匹配到GaAs PA的水平。
二是Vknee電壓和效率。GaAs HBT的I-V curve表現出很低的Vknee電壓，在CMOS器件中隨著Vds平緩增加的電流，導致了較高的Vknee電壓。這使得在飽和功率下，PA的效率大打折扣，同時也體現出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(ft)。CMOS工藝的頻率響應和工藝節點強相關，PA一般工作在ft十分之一的頻率比較容易實現設計。GaAs HBT的ft在40G左右，比較適用于sub 6G以下的大部分應用；0.35um的CMOS器件ft在26G左右，45nm的器件可以達到超過200G的ft，因此可以觸及毫米波的應用場景，22nm更是可以達到接近500G的截止頻率。因此CMOS工藝隨著工藝節點縮微化，可以工作在極高的頻率，但最大的硬傷和痛點在擊穿電壓。
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，其相較于GaAs等III-V族PA也具有諸多優勢，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）來實現邏輯控制、開關切換、功率功放、接收放大（FEM）等多種射頻前端的功能，結構復雜，成本高昂。而分立的PA或者FEM有機會通過單一CMOS工藝的Die實現上述全部功能，在一致性、封裝可靠性以及成本上，都具有很大的優化和提升空間。
二是低成本。成本是CMOS工藝最大的優勢之一，一張12英寸的CMOS晶圓的成本往往與6寸的GaAs晶圓價格相當，面積則是4倍。CMOS工藝是最主流的集成電路制程，供應鏈和產能豐富，這也是成本方面有巨大優勢的原因之一。
三是器件特性。CMOS工藝在器件特性上主要體現在漏電流低和導熱性好。CMOS工藝是天生為數字電路而生的開關器件，在關斷模式下漏電很低，比GaAs器件有數量級的優勢。Si的熱導率是GaAs的3倍，在熱性能方面優勢明顯。
四是設計靈活性。CMOS工藝的開關特性和豐富的器件種類為設計師帶來了無限的創造空間。二十多年來，工業界和學術界不遺余力地在CMOS PA的設計上貢獻智慧：模擬/數字預失真技術、數字PA技術、負載牽引技術、數字校準技術等，都可以為CMOS器件的劣勢補上短板，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設計最大的挑戰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，可以得出結論：線性CMOS PA的設計主要考慮如何提高擊穿電壓以及補償器件自身的非線性。因此，在擊穿電壓、非線性、高頻等優勢的支持下，目前III-V族PA在4G、5G大規模應用。
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應用上的最大技術挑戰之一，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”。
據悉，射頻PA可分為飽和PA和線性PA兩種架構，分別對恒包絡（PAR=0dB）的調制信號（FSK、PSK、GMSK等），存在幅度調制的通信信號（QAM、ASK、OFDM、CDMA等）進行放大。2G GSM、BLE、Zigbee等通信制式是恒包絡信號，飽和PA即可滿足放大需求；CDMA、3G WCDMA、4G LTE、5G、WiFi4/5/6等為幅度調制的寬帶信號，需要線性PA進行保真放大。
作為摩爾定律的載體，CMOS工藝在過去的數十年飛速發展，已經成為最成熟的工藝，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）。在現代通信集成電路中，處理器、基帶以及射頻收發機等模塊均已使用CMOS工藝量產數十年，但由于射頻PA對功率等級、線性度、效率、頻率響應等特殊的要求，以及其相對收發鏈路中其他模擬射頻器件較弱的電路復雜性，大部分的應用仍然使用分立的III-V族工藝實現，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。從技術實現的角度，4G線性CMOS PA的技術難度就更大。這也是為何高通目前為止也未能實現4G線性CMOS PA的根本原因。
根據地芯科技研究分析資料，目前Sub 6G應用的量產產品中，不同工藝實現對射頻PA不同的應用覆蓋，但CMOS PA主要應用在2G/3G、WiFi 4、IoT等細分領域。對表2和圖2的分析可以得出以下結論：
1.集成于SoC的CMOS PA最大Psat功率等級在28dBm左右，主要應用于小無線物聯網（WiFi/藍牙/Zigbee等各類局域IoT）以及窄帶蜂窩物聯網（NB-IoT）；
2.CMOS工藝實現用于2G的飽和PA，Psat可達2W以上（33-35dBm）；
3.GaAs 線性PA主要在Psat 30-36dBm的應用中占領大量市場；
4.Psat超過1W的線性CMOS PA只曇花一現于3G時代，并在4G多頻線性PA的產業鏈中銷聲匿跡；
5.Psat超過36dBm的應用，LDMOS和GaN開始成為主流。
表2 Sub 6G應用中PA功率等級及工藝使用現狀
資料來源：地芯科技（注：不考慮載波聚合）
圖2 不用應用中對PA的Psat等級以及工藝現狀
資料來源：地芯科技
線性CMOS PA不止步于4G！
不過，業界對線性CMOS PA工藝研發從未停滯，反而在默默耕耘與發力，不斷結出累累碩果。其中，地芯科技CEO吳瑞礫就是堅定的CMOS工藝路線的支持者，當然也源于其多年CMOS PA技術研發經驗。2013年，在獲得美國德克薩斯理工大學電子工程碩士學位后，吳瑞礫便投身到射頻領域的研發工作，曾帶領團隊成功開發并量產多款應用于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品。回國之后，基于在CMOS PA技術上豐富的量產經驗，于2018年創辦了地芯科技。
“其實，目前射頻前端的競爭格局是非常激烈的，大多數企業都選擇一個同質化的技術路線，利用GaAs工藝來做PA。但地芯科技選擇了低成本的CMOS技術路線。”吳瑞礫表示，盡管CMOS在材料上存在一些劣勢，但其具有低成本、穩定的供應鏈等優勢，而且擁有更好的導熱性、漏電性能和抗靜電等特性。因此，持續看好CMOS PA技術在低速率的互聯網連接、大帶寬Wifi、物聯網終端等領域的應用前景。
“CMOS工藝提供了豐富種類的器件，以及靈活的設計性，通過巧妙的電路設計，可以通過模擬和數字的方式補償晶體管本身的非線性。這也是CMOS PA設計最重要的課題之一。”不過，吳瑞礫也表示，Common-Source架構的CMOS PA和HBT的架構類似，其非線性實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工藝困難重重，但地芯科技一直都在挑戰線性4G CMOS PA。攻克了基于擊穿電壓和線性度的兩大技術難題，以創新的設計架構，成功推出全球首款4G的多頻多模線性CMOS PA，并已經開始應用在客戶的Cat.1模組產品上！
據悉，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的調制方式下，-38dBc UTRA ACLR的線性功率可達27.5dBbm（MPR0），FOM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。該設計成功攻克了CMOS PA可靠性和線性度的主要矛盾，預示了線性CMOS PA進入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布這一款支持4G的線性CMOS PA！再度證明CMOS工藝應用于射頻前端創新以及進入主流射頻前端市場的可能性！
未來，隨著5G及萬物互聯的風口到來，智能手機、電腦、智能穿戴、汽車、智能機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，CMOS PA也將不斷迭代升級，憑借低成本、集成化等技術優勢，不斷拓展更深、更廣的應用場景，主宰“萬物互聯”時代。
本文參考：地芯科技《線性CMOS PA的挑戰與機遇》
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