Mobilfunk:

Das erste rekonfigurierbare HF-Front-End

3. Dezember 2014, 11:59 Uhr | Von Dylan Kelly (Peregrine Semiconductor Corporation)

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Erster CMOS-PA mit GaAs-Betriebsparametern

Kein Anbieter konnte bisher die GaAs-PA-Leistungsfähigkeit auf einen CMOS-PA übertragen, so dass CMOS-PAs für LTE nicht in Frage kamen. Das ist mit der Global-1-Architektur nun anders geworden, wobei die damit erreichte Leistungsfähigkeit ohne Envelope Tracking (ET) oder digitale Vorverzerrung erreicht wird. Bei einem Vergleich von PA-Eigenschaften im Schmalbandbetrieb mit WCDMA-Signalen (Sprache) und mit einer ­Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR) von –38 dBc ergibt sich für den Ultra­CMOS-Global-1-PA ein Leistungswirkungsgrad PAE (Power Added Efficiency) von 50 %. Dies entspricht der Leistungsfähigkeit führender GaAs-Produkte und übertrifft existierende CMOS-PAs um 10 %.

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Die PA UltraCMOS-Global-1 von Peregrine kann die Leistungsfähigkeit von GaAs erreichen, und möglich sind Designs von LTE-Geräten mit allen weltweit möglichen Frequenzbändern – was mit GaAs nicht möglich ist.
Bild 2. Die PA UltraCMOS-Global-1 von Peregrine kann die Leistungsfähigkeit von GaAs erreichen, und möglich sind Designs von LTE-Geräten mit allen weltweit möglichen Frequenzbändern – was mit GaAs nicht möglich ist.
© Peregrine Semiconductor

Bild 2 zeigt, dass die Leistungsfähigkeit der PAs von Peregrine als Teil des Global-1-Systems nicht auf WCDMA beschränkt ist, sondern gegenüber dem Wirkungsgrad für LTE-Signale als gleichwertig anzusehen ist – das Ganze wie gesagt ohne digitale Vorverzerrung oder Hüllkurvenverfolgung (Envelope Tracking). Innerhalb des LTE-Standards werden (im Bild 2 zu sehen) übrigens unterschiedliche Zuteilungen von Resource Blocks (RB) basierend auf der Kanalbandbreite genutzt, die einem Teilnehmer zugeteilt sind. Ein 5-MHz-Kanal entspricht 25 RBs, ein 20-MHz-Kanal folglich 100 RBs.

Während der UltraCMOS-Global-1-PA den Wirkungsgrad von GaAs-PAs auch ohne Envelope Tracking erreicht, wird Global 1 aber dennoch das Envelope Tracking unterstützen, um die Marktanforderungen zu erfüllen. Man muss ­allerdings bedenken, dass die Wirkungsgrad-Verbesserung durch Envelope Tracking bandabhängig ist. Gleichwohl kann die Global-1-Architektur mit Envelope Tracking einen bis zu 20 % höheren Leistungswirkungsgrad PAE erreichen.

Pluspunkt Rekonfigurierbarkeit

Einer der größten Vorteile des gesamten Front-End auf einer CMOS-Plattform ist, dass der HF-Entwickler mehrere Stufen der Rekonfigurierbarkeit zur Verfügung hat – von der einfachen Arbeitspunktregelung bis zur kompletten HF-Abstimmung, wobei die Leisungsmerkmale über den gesamten genutzten Frequenzbereich erhalten bleiben. Das ist deshalb wichtig, weil z.B. in Breitbandsystemen über die Frequenz signifi­kante Dämpfungsänderungen auftreten können, die auch noch durch Prozesstoleranzen, Spannungs- und Temperaturänderungen überdeckt werden

Die UltraCMOS Global-1-PA ermöglicht die Optimierung der Leistungsmerkmale mittels abstimmbarer Anpassungsnetzwerke. Die bandspezifische Abstimmung bietet eine zusätzliche Unterdrückung gegenüber anderen Frequenzbändern, was hilft, einige schwierige
Bild 3. Die UltraCMOS Global-1-PA ermöglicht die Optimierung der Leistungsmerkmale mittels abstimmbarer Anpassungsnetzwerke. Die bandspezifische Abstimmung bietet eine zusätzliche Unterdrückung gegenüber anderen Frequenzbändern, was hilft, einige schwierige Probleme bezüglich Interoperabilität abzuschwächen.
© Peregrine Semiconductor

Bild 3 zeigt den UltraCMOS-Global-1-PA in drei verschiedenen Abstimmungs-Konfigurationen. Man kann letztlich die Abstimmungs-Konfiguration wählen, die bei einer bestimmten Frequenz die beste Leistung realisiert. Zum Beispiel würde in Bild 3 bei 790 MHz die Abstimmungs-Konfiguration 1 gewählt, bei 860 MHz jedoch Konfiguration 2. Dies wird umso wichtiger, wenn ein einziger PA in mehreren Frequenzbändern mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten soll. In Bild 3 sind zum Vergleich auch die Leistungsdaten eines typischen GaAs-Breitband-PA dargestellt. Es stehen mehrere Rekonfigurations-Optionen zur Verfügung:

  • HF-Abstimmung: Der PA kann auf Basis der Betriebsfrequenz, der Modulationsart oder des Leistungspegels optimiert werden.
  • Bandabhängige Schnittstellenoptimierung: In vielen Einband-PA- und Duplexermodulen (PAD) wird zur Optimierung des Wirkungsgrades die Impedanz zwischen PA und Duplexer optimiert. Dies ist bei einem fest abgestimmten Multi-Bandverstärker nicht möglich, da er mit mehreren Duplexern zusammen arbeiten muss. Mit einem abstimmbaren PA lässt sich die Impedanz an dieser Schnittstelle für jedes Band optimieren, was den Systemwirkungsgrad verbessert.
  • Arbeitspunktregelung auf Band- oder Betriebsmodusbasis: Es bestehen signifikante Unterschiede in der Einstellung des Arbeitspunktes eines PA, ob auf Basis des Bandes oder des Betriebsmodus. Dies kann durch flexible Arbeitspunktregelung geschehen.
  • Korrektur der Fertigungstoleranz: Die Rekonfigurierbarkeit eröffnet die Möglichkeit, die Fertigungstoleranzen im Endtest zu korrigieren. So lassen sich die meisten Abweichungen beheben und das System auf eine engere Spezifikation trimmen.
  • Ausschließlich CMOS: Die Implementierung der Abstimm-Varianten wird möglich durch eine MIPI-HFFE-Regelschnittstelle, über die alle Parameter gesteuert werden. Dies wäre in einer Multi-Die-Lösung nicht möglich, da GaAs hier ungeeignet ist und diese Funktion nicht realisiert werden kann.

  1. Das erste rekonfigurierbare HF-Front-End
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