Technologischer Durchbruch bei 3G-Endstufen

Gerade mal zwei Jahre nach seiner Gründung stellt der US-amerikanische Start-up-Halbleiterhersteller Black Sand die weltweit erste CMOS-Endstufe (Power Amplifier, PA) in 3G-Handys vor.

»Es gleicht der Quadratur des Kreises«, sagt Black Sands CEO John Diehl, wenn er über die Anforderungen an einen CMOS-Leistungsverstärker für HF-Endstufen in den 3G-Bändern um 2 GHz spricht. »Der Verstärker muss genug Ausgangsleistung bereitstellen, sehr linear sein, auch um eine hohe Kanaltrennung zu realisieren, und effizient arbeiten. Kurzum, er muss das leisten, was Gallium-Arsenid leistet. Das war die Aufgabe, auf die wir uns konzentriert und die wir jetzt gelöst haben«.

Das Ergebnis kann sich sehen lassen: 28 dBm Sendeleistung, bei 40 Prozent Wirkungsgrad und einer Übersprechdämpfung (Kanaltrennung, ACLR) von -40 dBc. Der Baustein benötigt eine Versorgungsspannung von 3,4 V, das heißt, er lässt sich direkt aus der Handy-Bordversorgung mit einem Lithium-Ionen-Akku speisen. Und das Ende der Fahnenstange ist noch nicht erreicht: »Wir haben vorerst nur wenige Funktionen integriert, die mit CMOS möglich werden«, sagt John Diehl, »wir wollten primär im ersten Schritt einen Baustein schaffen, der es bei Frequenzen um 2 GHz mit GaAs aufnehmen kann. Allerdings haben wir schon jetzt eine adaptive Vorspannung und einige weitere nützliche Schaltungsdetails integriert.«

Man wäre jetzt geneigt, die Frage zu stellen, warum es nicht längst CMOS-Endstufen im Mobilfunk gibt. »Ein Grund ist, dass man in 2G-Systemen heute nur noch schwer einen Standalone-PA ohne Antennenschalter unterbringen kann« sagt Diehl, der gleich anfügt: »Der Hauptgrund waren aber technologische Hindernisse. Man kann nicht einfach an den Stellschrauben eines bestehenden CMOS-Prozesses drehen und GaAs-Performance bekommen. Wir waren zwar gelegentlich versucht, bei IBM oder TSMC einfach mal danach zu fragen, wussten aber, dass wir einen völlig neuen Ansatz finden mussten.«

Das Unternehmen Black Sand hatte dabei vor zwei Jahren das Glück, einige Spitzen-Entwickler von Silicon Labs in sein Entwicklerteam holen zu können, so dass die Firma über mehr als zehn Jahre Entwicklungserfahrung mit CMOS-PA verfügt. Die Architektur des neuen Bausteins hat nicht mal mehr entfernt Ähnlichkeit mit einer GaAs-Architektur. »Bei GaAs kommt es darauf an, einige wenige sehr gute Transistoren in einem Schaltkreis zusammenzufassen. Unsere CMOS-Architektur setzt auf eine zweistellige Transistorzahl« verrät Diehl. Im Vergleich zu anderen CMOS-ICs scheint das immer noch lächerlich wenig. Den GaAs-Herstellern könnte das Lachen angesichts dieser Innovation allerdings bald vergehen.

Warum CMOS statt GaAs?

Gallium-Arsenid (GaAs) ist ein teurer Halbleiterwerkstoff, der nur in spezialisierten Fabs verarbeitet werden kann. Fast alle Bauteile wandern in die Mobilfunkindustrie. Die Abhängigkeit treibt manchen Abnehmern immer mal wieder Sorgenfalten in die Stirn. »Falls einem Hersteller das Geld für Investitionen ausginge, was in diesen Zeiten durchaus mal passieren könnte, würde die Versorgung unter Umständen schon eng werden und wir wissen, dass sich Logistiker bei allen Handyherstellern darüber Gedanken machen«, so Diehl. »So etwas wiegt schon schnell die üblichen Vorbehalte gegen Start-ups auf. Hinzu kommt, dass wir nicht eine neue Technologie präsentieren: CMOS ist etabliert!«

Es gibt aber auch technische Gründe, die für CMOS sprechen: »GaAs neigt zur thermischen Instabilität «, weiß Diehl »und wenn infolge schlechter Antennenanpassung Stehwellen entstehen, funktioniert GaAs schnell nicht mehr zuverlässig, bis hin zum Totalausfall; 95 Prozent der Totalausfälle von Handys gehen auf GaAs-Versagen zurück.« Ein weiterer Grund, der für CMOS spricht, ist die leichte Integration vieler Funktionen, die sich mit GaAs gar nicht realisieren lassen. So kann man analoge Funktionen wie Vorverzerrung viel leichter implementieren oder Mixed-Signal- sowie digitale Schaltkreise einbauen, die etwa die thermische Stabilität verbessern, Überspannungsschutz, Power Management integrieren und vieles mehr. »Es gibt fast unendlich viele Möglichkeiten« schwärmt Diehl, »dass kein Antennenumschalter on-Chip ist, fällt dann weniger ins Gewicht, zumal bei 3G ohnehin statt des Schalters ein Duplexer vorgesehen ist«.

Hinzu kommt die berechtigte Erwartung, dass CMOS-ICs sich kostengünstiger herstellen lassen als GaAs. Auch das ist wichtig, denn die Zahl der PA pro Handy steigt weiterhin. Waren es früher 2, sind es jetzt schnell 4, 5 oder noch mehr.