低电压工作的砷化镓功率放大器
--利用替代的化学物质和制造技术使移动电话有更高的能量密度和更长的电池使用寿命
下一代移动电话能够下载音乐和视频节目、显示全球定位系统（GPS）地图和共享高清晰图片。随着十几岁的青年人和其它年龄的人们逐渐学会操作图片和音乐文件时，这些新的应用将变得日益流行。那些包括繁重显示任务的应用（如移动电视）将极大地影响移动电话的总体功率开销。当消费者的手机使用习惯发展到应用更多的密集数据程度时，总体电池容量需求将会发生巨大的改变。仅仅能满足手机通话时间的电池寿命已经不再能满足人们的需求。
图1锂电池放电特性
电池技术
为了扩展电池技术，使其具有更高的能量密度和更长的使用时间，全球领先的电池供应商正着眼于替代的化学物质和制造工艺，使放电电压更低。现在的移动电话设计使用的电池放电电压为3.0到3.5V以上，在这个范围内锂电池具有极好的放电特性。图1 给出了不同放电状态下的电压特性。（
特别地，电池供应商已研发出替代的阴极和阳极原料，这些原料可以改善电池体积的应变能密度（能量每公升）或重量应变能密度（能量每公斤或比能）。目前对于尺寸要求严格的应用如移动电话，锂电池是最佳选择，所以很多目前的开发焦点都集中在对附加的阴极化学混合物增加新的金属元素。通过取代阴极的锰或镍，体积应变能密度可以显著提高，但会降低放电电压。接下来这种效果可以用硅取代阳极的石墨（碳）以尽可能的提高电池性能。阳极的改变使放电特性进一步下降，导致可用电压又一次显著下降，体积应变能密度又一次大幅提高。图2和表1描述了以下影响：通过损失差不多0.6V的放电电压，新的电池能量密度改善约为40%。
注意：另一种特别是在对重量要求比较高的应用中取代锂电池的是硫化锂电池技术。因为这种电池不使用重金属元素，所以比锂电池更轻也更加环保。利用其液态阴极结构，硫化锂系统可以很容易地释放出强大的电流，据说能够达到超过300Wh/kg的重量应变能密度和大约450Wh/liter的体积应变能密度。目前硫化锂电池标称工作电压为2.1V，截止电压小于2.0V。这种方案的“绿色”特性使硫化锂在高容量应用如移动电话中成为可能的候选技术。
图2 体积应变能密度改进（电源来自：Nikkei
Electronics）
难题
为什么移动电话仍然没有利用电池变化带来的好处呢？这种限制来自少数一些器件在低电压下的性能还未得到详细审察。特别的是许多系统设计师坚信RF功率放大器必须要3V或者更高的电压，这是因为目前市场上大部分都使用HBT放大器技术。
表1 对替代化学物质放电电压的折中
现今，多数移动手机市场中的RF功率放大器都利用异质结双极晶体管（HBT）。对于HBT放大器，在发射极-基极结处加入一前向偏置，在基极-集电极结处加入一个反向偏置。这种HBT设备的夹层结构需要3.0V的总供电电压使设备“启动”已达到较大的功率放大系数（在低RF功率级别下，以线性的轻微下降为代价，偏置电压可以稍微降低）。当市场考虑应用低电压电池时，一些HBT放大器用户正考虑加入直流降压/升压DC/DC变换器来保持足够的偏置电压。这显然会增加成本，并且降低整个放大器解决方案的功效。
图3 W-CDMA放大器不同偏置电压（
偏压控制方案的复杂性
现在的移动手持机经常利用DC/DC变换器来逐步降低在发送信号期间功率放大器的偏置电压，因为此时只需较低RF功率输出。图3所示表明在E-pHEMT和HBT放大器情况下，向下调整偏置电压所带来的益处。为了在所有功率级别上得到最佳效率，电压按照预设的框架逐渐调整。注意到两种放大器均使用同样的偏置电压，由图可说明E-pHEMT放大器天然具有比HBT具有更高的功效。
为了省电经常要将放大器切换到不同的模式。迄今市场上引入的许多放大器可以将输出部分从信号通路上移开，使放大器的驱动部分以高很多的附加功率效率（PAE）提供输出功率。使用Avago Technologies开发的“无切换”专利技术的设计是其中最为有效的。
图4 通过切换PA结构增强PAE
图4给出切换放大器的影响。在这种情况下使用的是“无切换”结构，这意味着对于旁路情况只需简单地把偏置电压置零，此结构带有一个特殊的匹配网络使低损耗旁路网络可以将信号从驱动器部分引导至天线端口。为了简化说明，在中间功率和高功率范围内把偏置电压简单地设成3.4V，而在低功率时把偏置电压置为更低的常数。最后，使用连续可变偏压和切换放大器的组合可以实现W-CDMA或CDMA的功率放大器，W-CDMA或CDMA的PAE在系统的整个动态工作范围内处于20%-40%之内。
解决方案
与HBT形成对比，FET设备以一种不同的原理运作，这使设备工作在低得多的偏置电压下。E-pHEMT（增强型伪形高电子迁移率晶体管）技术提供了一个绝佳的选择。工作在高电压中时E-pHEMT设备是行业中最为高效的，而在低偏置电压时它变得更加引人注目。E-pHEMT设备在低于2V的低偏置电压下能够保持线性和增益，因此可避免升/降压变换器的成本和电损耗。在避免使用不必要元件的同时，能够使效率和手持通话时间达到最大。
图5 偏置电压对标准E-pHEMT PA的影响
图5显示了E-pHEMT放大器可以在1.5V甚至更低电压上保持预知性和有用的性能。图中利用一个标准的负荷匹配网络和测试波形，在多种偏置条件下对标准E-pHEMT放大器进行了测试。在极低的电压下（0.4V），工程师能够重新调整负载匹配网络使放大器性能重新达到最优，并且能够在低功率下得到20dB的增益。
许多手持机制造厂商已经调整了RFIC的输出功率，以在变动的偏置电压下补偿放大器增益的变化。这种补偿通常是在低功率或者中间功率发射机状态内进行，在这个功率段内线性性能对放大器来说并不是至关重要的。也就是说，当移动手机离基站相当近的时候（大约
图6 工作在1950MHz的W-CDMA
ACPR性能
图6所示为E-pHEMT放大器在一个很宽的偏置电压范围内的线性性能。对于W-CDMA信号典型的规格要求为-35dBc的邻道功率比（ACPR）。E-pHEMT放大器可以轻而易举地超出此要求，盈余部分可以使批量产品的发射功率达到24dBm。事实上，低于24dBm时典型的测试装置不能够测量偏置电压对线性的影响。只有在高功率下，当偏置电压下调至2.0V时才有轻微的线性失真。基于以上这些简单的测试，可以清楚地知道E-pHEMT技术可以在低偏置电压时保持高线性性能和平滑的、可预测的AM/AM、AM/PM性能。
为了从最小可能功率值中得最大的线性RF功率，引入了许多的创新思想。随着需要电池电压更低的新一代移动电话诞生，RF功率放大器也必须改变发展方向。最终结果将是典型的手机有难以置信的功效和长久工作时间。使用新电池和PA技术，消费者将能够用他们的手机长时间通话，同时享受最新提供的多媒体内容。
授权来源：http://www.mwjournal.com/journal/article.asp?HH_ID=AR_1531