用CMOS工藝集成通信處理架構(gòu)中的射頻信號鏈

1、    用CMOS工藝集成通信處理架構(gòu)中的射頻信號鏈    用CMOS工藝集成通信處理架構(gòu)中的射頻信號鏈    類別：汽車電子      消費者一直不斷地期盼為手機和個人數(shù)字助理(PDA)增加更多的功能和方便性。結(jié)果導(dǎo)致這些產(chǎn)品不斷地快速演進，從傳統(tǒng)的語音和數(shù)據(jù)通信到移動環(huán)境下的許多令人愉悅的功能，例如音樂庫、視頻回放、交互式游戲、數(shù)字照相機以及移動電視等。除了需要支持蜂窩通信的多種移動標準外，如今的手機通常還必須支

2、持無線局域網(wǎng)(WLAN)、超寬帶(UWB)、藍牙、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及數(shù)字電視(DTV)等標準。實現(xiàn)上述功能需要采用多種不同的技術(shù)，而且需要在考慮其他業(yè)務(wù)存在的條件下同時運行多種無線和應(yīng)用軟件包。 便攜式設(shè)備設(shè)計師面臨許多挑戰(zhàn)，因為消費者還要求設(shè)備具備以下能力，包括下載電子郵件、接收本地信息、在無線手機上通話、觀看直播電視、下載電影、發(fā)送視頻和圖像等。此外，設(shè)計師還必須制定方針以便能夠在移動終端中集成未來的寬帶業(yè)務(wù)。 在3G時代，移動終端遠遠跨越了語音通信而演變?yōu)槎嗝襟w設(shè)備。而到了4G，手機中的高集成度電路還要支持多路技術(shù)。便攜式系統(tǒng)設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是將移動通信，計算機網(wǎng)絡(luò)，個域網(wǎng)，廣播

3、技術(shù)等集成到一個系統(tǒng)中。一臺4G設(shè)備不僅要支持現(xiàn)有的移動標準，包括GSM，GPRS，EDGE，UMTS，WCDMA，和HSDPA，而且還要支持100Mb/s1Gb/s的數(shù)據(jù)率，具備IP核的功能，支持OFDMA調(diào)制，支持MIMO天線技術(shù)，以及支持VoIP/V2IP和網(wǎng)狀組網(wǎng)。 技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案 在集成射頻信號鏈的競賽中，手機設(shè)計師和他們的上游供貨商所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是不一樣的。對于手機設(shè)計師來說，他們的挑戰(zhàn)是尋找更高集成度的低功耗器件。而對于他們的供貨商來說，則是尋找能夠平衡各種工程技術(shù)的工藝技術(shù)，目的是在能夠?qū)⒏嗟纳漕l電路封裝到芯片中的同時又能減小器件的尺寸。克服這些挑戰(zhàn)，就需要能夠更具成本

4、效益地集成和精心規(guī)劃整個信號鏈的靈巧設(shè)計方案。一項能夠滿足所有上述需求(包括大功率應(yīng)用)的有效技術(shù)就是CMOS。 CMOS目前是單片集成電路領(lǐng)域的支配性技術(shù)，它驅(qū)動了整個通信領(lǐng)域的高速發(fā)展。該技術(shù)始終是數(shù)字基帶處理方面的領(lǐng)先技術(shù)，在模擬器件中也經(jīng)常使用，包括新型的收發(fā)器架構(gòu)，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中也一直在用，還有鎖相環(huán)(PLL)，濾波器，同相/正交調(diào)制器等。該技術(shù)也正在開始進入射頻和微波器件領(lǐng)域。對于大功率應(yīng)用來說，關(guān)鍵就是選擇適當(dāng)?shù)腃MOS工藝技術(shù)。而UltraCMO-一種絕緣硅技術(shù)(SOI)就能滿足這一需求。 大功率CMOS工藝 UltraCMOS采用了SOI技術(shù)，在絕緣的藍寶石基片上淀

5、積了一層很薄的硅。類似CMOS，UltraCMOS能夠提供低功耗，較好的可制造性，可重復(fù)性以及可升級性，是一種易用的工藝，支持IP塊的復(fù)用和更高的集成度。 與CMOS不同的是，UltraCMOS能夠提供與在手機、射頻和微波應(yīng)用領(lǐng)域普遍使用的GaAs或SiGe技術(shù)相匹敵甚至更好的性能。UltraCMOS和pHEMT GaAs都能提供相同級別的小信號性能并具有相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格通態(tài)電阻(net ON-resistance)。此外，UltraCMOS具有板上譯碼器/驅(qū)動器，同時能夠提供比GaAs或SiGe更優(yōu)異的線性度和防靜電放電(ESD)性能。 對于更復(fù)雜的應(yīng)用，如最新的多模式、多頻帶手機，選擇合適的工藝

6、技術(shù)更為關(guān)鍵。例如，在這些應(yīng)用中，天線必須能夠覆蓋8002200MHz的頻段，開關(guān)必須能管理多達8路的大功率射頻信號，同時還必須具有低插損，高隔離度，極好的線性度和低功耗。適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)能夠改善技術(shù)選項的可用性，進而改善天線和射頻開關(guān)的性能，最終改善器件的總體性能。更重要的是，如果工程師在整個設(shè)計中采用同一工藝技術(shù)，能夠獲取更高的集成度。 UltraCMOS RFIC方面的最新進展是SP6T和SP7T天線開關(guān)。這些符合3GPP的開關(guān)滿足WCDMA和GSM的要求，使得設(shè)計師可以在兼容WCDMA/GSM的手機中使用一套射頻電路，況且還實現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的性能。SP6T和SP7T天線開關(guān)采用了Pereg

7、rine公司的HaR技術(shù)，實現(xiàn)了如下的優(yōu)異指標：二次諧波為-85dBc，三次諧波為-83dBc，2.14GHz上的三階交調(diào)失真(IMD3)為-111dBm(圖1)。 圖1：HaRP-增強開關(guān)的IMD3性能超過了3GPP行業(yè)標準。 3GPP的線性度指標是比較高的，IP3為+65dBm。一般的競爭對手的該項指標約為+57dBm。而UltraCMOS SP7T的該項指標達到了+68dBm，改進了線性度并超過了3GPP標準的要求。對于天線的ESD耐壓來說，其他技術(shù)一般只能達到0.5kV，而UltraCMOS SP7T開關(guān)的該指標卻達到了4kV。 集成射頻鏈 如今的手機設(shè)計師必須在一臺小設(shè)備中支持多得前

8、所未有的應(yīng)用，故對更高集成度的需求也從未像今天這么大。提高集成有許多方式，不過減少系統(tǒng)中無源器件的數(shù)量是最有用的方式。在手機終端電路中，不考慮接口標準的情況下，包括大約7585%的無源元件，如電容器，電感器和電阻器等。例如，在Nokia 3300音樂手機中，共有406顆元件，但其中355顆是無源元件。所以，在新設(shè)計中減少無源元件的數(shù)量是一個重要因素。 減少射頻元器件數(shù)量的方法之一就是采用無源集成技術(shù)，例如低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)。不幸的是，由于互連和測試成本問題，這些集成的無源元器件只能適合于模塊級實現(xiàn)。雖然模塊可能更具成本效益(與分立方案相比)，但它們通常需要批量和大量的測試。 LTCC

9、模塊獲得過成功的利用，如GSM手機中的天線開關(guān)模塊(ASM)。ASM負責(zé)前端射頻信號的路由和功率放大器的諧波濾波。而在早期的大量的雙段或三段GSM手機中，采用的是PIN二極管與集成在基板上的無源元器件相結(jié)合的方案。但如今，在設(shè)計雙段GSM手機時，ASM設(shè)計師的一個設(shè)計新趨勢就是開始采用更高集成度的方案，例如UltraCMOS。 利用帶有集成匹配電路和諧波濾波器的UltraCMOS SP6T和SP7T后，ASM中的元器件數(shù)量減少了60%。而且UltraCMOS采用單片方案，在集成設(shè)計中還省去了模塊的封裝以及芯片間互聯(lián)問題。由于采用高絕緣的基板，UltraCMOS還可以被用來集成高Q的無源器件。此

10、外，這些UltraCMOS還受益于良好的半導(dǎo)體工藝的可重復(fù)性，其電感容差約為2%，而電容容差約為5%。 在整個設(shè)計中采用同一工藝創(chuàng)造了實現(xiàn)高集成度的機會。目前CMOS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機中的IF和基帶電路。進入射頻前端領(lǐng)域可以進一步加速集成。圖2對一個射頻前端(2a)所用的多路技術(shù)方案與采用先進的UltraCMOS方案(2b)之間進行了相互比較。UltraCMOS器件中集成了低通濾波器，DC/DC變換器，控制器，譯碼器，驅(qū)動器以及天線匹配電路，故所用的元器件數(shù)量要比多路技術(shù)少。 圖2：與多路技術(shù)開關(guān)方案相比，UltraCMOS方案能夠?qū)崿F(xiàn)射頻信號鏈的高集成度。 降低功耗 在手機設(shè)計中兩個最耗電的

11、部分就是基帶處理器和射頻前端。而功率放大器(PA)又消耗了射頻前端中的絕大部分功率。實現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵是使射頻前端中的其他電路消耗盡可能少的功耗且不影響PA的工作。在目前所用的選擇中，帶譯碼器的GaAs開關(guān)吸納的電流為600A，而PIN二極管方案吸納的電流為10mA，但在典型的射頻前端應(yīng)用中，UltraCMOS SP7T開關(guān)只吸納10A的電流。 在功耗管理設(shè)計中插入損耗是另一個考慮因素。這里考慮的重點是選擇不影響PA效率的前端器件。通常，GSM手機中的PA工作在高達2W的飽和功率上，它們的功率增加效率(PAE)通常約為60%。這個級別的效率對延長手機的電池來說是至關(guān)重要的。但是，如果所用的前端架構(gòu)具有較高的插入損耗，PAE將會降低。圖3中針對四種不同的初始PAE值，給出了有效的PAE和插入損耗(從PA到天線之間)的關(guān)系。假定前端的插入損耗為1.5dB，一個PA的PAE將從初始的60%降低至42.5%。 圖3：插入損耗將引起功率放大器的功