3G中的CMOS基RF集成

　　用CMOS技術實現(xiàn)收發(fā)器有下列優(yōu)點：

　　CMOS與SiGe BiCMOS工藝相比,在相等的工藝尺寸具有更低晶片成本結構。

　　CMOS允許用標準工藝在多個廠家進行芯片制造。

　　根據(jù)Moore定律,CMOS設計可以定標更小工藝尺寸。

　　CMOS能夠實現(xiàn)RF功能數(shù)字電路,導致高度可編程設計,使其具有小的芯片、高度可制造性,良好的堅固性。

　　CMOS收發(fā)器可以集成其他功能(如DigRF接口或數(shù)字基帶功能),從而構成單片RF和基帶元件。

　　CMOS已證明是實現(xiàn)收發(fā)器的一種技術,廠家已生產出大量GSM/GPRS、WLAN和藍牙無線電。

　　多模GSM/GPRS/EDGE/WCDMA手機選用收發(fā)器結構,是一個關鍵決定?，F(xiàn)在,在很多單片CMOS GSM/GPRS收發(fā)器中,通常集成VCO、頻率合成器、環(huán)路濾波器和DCXO,這種集成特別重要。高集成有助于保證良好的無線性能,這是因為關鍵功能與外部噪聲源屏蔽。

　　在恒定幅度的GSM/GPRS 阻斷器和調幅EDGE或WCDMA阻斷器中的接收器,必須提供良好的幅度調制抑制功能。與傳統(tǒng)超外差設計相比,最流行的接收器結構是低中頻或零中頻,其中所設計的接收器和發(fā)送器鏈路不需要外部IF SAW濾波器。

　　直接變頻接收器,直接變換輸入信號為低頻信號,便于實現(xiàn)可編程濾波器。直接變頻無線電的一個問題是由大阻斷器的本地振蕩器自混頻引起DC偏移出現(xiàn),因而惡化下變頻信號。解決此問題往往需要基帶執(zhí)行DC偏移校正,通常是通過軟件來實現(xiàn)。在低中頻接收器中,通過混頻和濾波從所希望的下變頻信號中去掉 DC偏移。此外,低中頻設計通常具有集成合成器、環(huán)路濾波器和調諧元件來防止外部相位噪聲源引起的相互混頻。

　　對于發(fā)送器,線性上變頻結構往往最適合于GSM/GPRS、EDGE、CDMA和WCDMA,而極性環(huán)路設計主要用于EDGE收發(fā)器。線性上變頻結構在貫穿發(fā)送器鏈路中(從其帶I和Q信號到天線)保持線性。基于極性環(huán)路或極性調制的無線電靠犧牲附加定標和所需功率控制反饋環(huán)路復雜性來提供附加的高功率效率。此外,極性發(fā)送器需要一個特殊定制的PA,來保證幅度精確匹配和相位延遲。線性發(fā)送器不像極性發(fā)送器那樣,它可以廣泛地采用現(xiàn)有PA元件。

　　單片4頻段GSM/GPRS設計

　　為了成功地開發(fā)一款支持3G和2G服務多模CMOS無線電,收發(fā)器IC公司在力圖用其他模式組合(如EDGE和WCDMA)設計器件前,必須證明它有能力為GSM/GPRS應用開發(fā)和制造單片多頻段CMOS收發(fā)器。

　　圖4示出一個4頻段GSM/GPRS CMOS收發(fā)器設計。4頻段接收器用低中頻結構代替零中頻,因低中頻受1/f噪聲、DC偏移和有限接收器IIP2的影響較小。用片上電感負反饋的全差分共源放大器實現(xiàn)LNA,用于阻抗匹配和增益峰值。LNA也執(zhí)行低增益模式。

　　LNA之后,正交混頻器下變頻所希望的RF為低中頻。接收器的低中頻部分由5階復雜Butterworth濾波器和PGA組成。每個復雜濾波器級為GSM阻斷器和圖像信號提供抑制,并提供所希望信號的可編程放大。增益分布和濾波器極的定序使總Rx SNR最大。可編程增益IF濾波器與LNA增益結合在一起具100dB可編程增益。DCOC電路防止IF增益級飽和。濾波器I和Q通道之間電阻交叉耦合導致I信道上DC偏移影響Q信道,反之亦然。復雜濾波器之后,低中頻解調電路下變頻IF I和Q信號為基帶頻率(用數(shù)字合成時鐘)。

　　發(fā)送器結構是基于OPLL基礎上的,它包括一個正交調制器和一個完全集成的低相位噪聲RF VCO。由正交調制器把基帶I和Q GMSK信號變?yōu)镮F。一個5階Gm-C低通濾波器可消除不希望的頻率分量。用片上環(huán)路濾波器濾波PFD輸出,此輸出用于驅動RF VCO ,RF VCO含蓋GSM-850、GSM-900、DCS-1800和PCS-1900頻段。

　　VCO輸出驅動片上發(fā)送緩沖器。此緩沖器的RF輸出電平可編程到適應不同的PA模塊。單端輸出不需要外部平衡―不平衡轉換器。片上VCO相位噪聲和TX前置PA驅動器噪聲一起決定接收頻段的TX輸出噪聲(這是GSM發(fā)送器的最嚴格性能指標之一)。為使噪音減小、DC電流耗電減少,從VCO輸出到前置PA驅動器,輸入保持在軌到軌信號或后置PA發(fā)送帶通濾波器,因此,改善了發(fā)送器功率效率。

　　用單頻率合成器為發(fā)送器和接收器產生本地振蕩信號,以此利用GSM的時分雙工特性。用3階△ΣN分合成器來為Tx和Rx模式頻率設計提供最大靈活性。用帶片上電感器的VCO,來滿足Rx和Tx相位噪聲所要求的容限。

　　結語

　　擴大數(shù)字領域的設計復雜性,發(fā)揮高密度CMOS邏輯的有效性。實現(xiàn)良好的結構(包含延伸的DSP技術和共用功能單元),是成功和經(jīng)濟設計的最基本要素。

　　靠解決實現(xiàn)單片4波段GSM/GPRS CMOS收發(fā)器問題,RF集成電路設計師可以解決支持EDGE、WCDMA和其他無線技術的單片無線電開發(fā)問題。把高集成前端模塊和數(shù)字接口基帶IC結合在一起,所得到的CMOS收發(fā)器可以實現(xiàn)經(jīng)濟、小形狀因數(shù)多模手機。