Mobilfunk:
Das erste rekonfigurierbare HF-Front-End
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 %.
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
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.
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- Erster CMOS-PA mit GaAs-Betriebsparametern
