解析CMOS、SiGe BiCMOS与GaAs三种工艺射频功率放大器的差异与共通点

简介：
本文章深入分析了CMOS、SiGe BiCMOS和GaAs三种半导体工艺在射频功率放大器中的应用，探讨它们之间的技术异同及适用场景。 射频功率放大器在雷达、无线通信、导航、卫星通讯以及电子对抗设备等领域具有广泛的应用，并且是现代无线通信系统中的关键组成部分之一。相较于传统的行波放大器，射频固态功率放大器具备体积小、动态范围大、功耗低和寿命长等优点；鉴于其在军事和个人通信系统中至关重要的作用，研发此类放大器变得尤为重要。 设计射频集成功率放大器常用的技术包括GaAs（砷化镓）、SiGe BiCMOS（硅锗双极互补金属氧化物半导体）及CMOS（互补型金属氧化物半导体）。其中，GaAs工艺在射频特性和输出功率方面表现出色，但成本较高且一致性较差；而CMOS技术的功率输出能力有限，在高输出需求的应用中难以发挥作用。SiGe BiCMOS工艺则介于两者之间，不仅价格相对适中，并与CMOS电路兼容性良好，非常适合用于中等功率场景。 本段落介绍了三种不同工艺设计并实现的射频集成功率放大器：应用于无线局域网和Ka波段通信系统的设备分别采用了SMIC 0.18μm CMOS、IBM5PAE 0.35μm SiGe BiCMOS以及WIN 0.15μm GaAs工艺。具体而言，第一种基于CMOS技术的放大器工作于2.4GHz频段，采用两级共源共栅电路设计，在电源电压为5V时达到约22dB的小信号增益和接近20dBm的压缩点输出功率；第二种SiGe BiCMOS实现的产品则在5.25GHz下运行，并通过优化前置推动级与末级功率放大结构，实现了近30dB的小信号增益以及超过29.5dBm的最大饱和输出功率。最后，在WIN GaAs工艺下的设备覆盖了从27到32GHz的频段范围，同样在电源电压为5V时达到了约26dBm的压缩点输出和超过29.9dBm的最大饱和值。 论文详细描述了上述三种射频集成功率放大器的设计流程，包括电路设计、仿真、版图制作以及芯片测试等环节。同时对采用不同工艺技术实现的产品进行了对比分析，并针对各自存在的问题提供了详尽的解释与探讨。