CMOS開發(fā)多模應用的RF收發(fā)器

用戶需要更小更便宜的手機,在手持裝置中得到快速服務和更多功能。這正在促使業(yè)界加速創(chuàng)新解決方案,降低成本使產(chǎn)品盡快上市。這種外加壓力,使制造商重新考慮解決這些問題的技術。

硅技術和集成關鍵元件單元(如RF 收發(fā)器)能降低產(chǎn)品尺寸和成本。

蜂窩標準(如GSM)的嚴格性能要求,以前限制了RF收發(fā)器集成,迫使采用替代技術(如SiGe BiCMOS或雙極)?，F(xiàn)在,GSM/GPRS CMOS收發(fā)器普及率增加,使選擇CMOS RF技術增加了成熟性。

盡管CMOS RF收發(fā)器設計提供有力的、使人信服的優(yōu)點,但設計工程師在開發(fā)手持WCDMA、EDGE、GPRS/GSM標準高集成度多模收發(fā)器時,必須克服結構和電路設計問題。投入時間和精力采用CMOS開發(fā)多模應用的RF收發(fā)器是值得的,市場的回答也是肯定的。

多模發(fā)展趨勢

為使全球經(jīng)營者容納不同的蜂窩架構,手機制造商把多種無線蜂窩技術 (多模)結合在一個器件中,為特殊市場提供最好的買點方案。例如,市場上支持EDGE的手機數(shù)增加,具有向后與GSM/GPRS服務兼容。同樣,未來3G手機除EDGE/GPRS/GSM技術外,將支持WCDMA。全球漫游需要5個頻段：GSM-850MHz,E-GSM-900MHz,DCS-1800MHz,PCS-1900MHz和UMTS-2100MHz。手機設計師必須考慮所有這些要求,并滿足用戶對低成本和形狀因數(shù)產(chǎn)品的要求。

硅集成和模塊集成促進多模功能。大多數(shù)的多模平臺組合獨立的無線子系統(tǒng),例如,支持GSM/GPRS和WCDMA的多模電話可具有一個帶GSM/GPRS收發(fā)器WCDMA收發(fā)器,以及RF前端和無源元件單元,以便支持兩個模式和頻段(見圖1)。這種方法最實用,因為GSM/GPRS和WCDMA信道位率是基于不同基準時鐘頻率(分別為13MHz/26MHz和19.2MHz)。一般的GSM/GPRS發(fā)送器結構(如OPLL)不能直接加到WCDMA。在該實例中,降低多模設計元件數(shù)和成本,需要較高的集成度和創(chuàng)新的RF技術。

圖1 采用分離3G和2G無線技術的典型3G多模/多頻段 RF設計

圖2 單片4頻段GSM/GPRS CMOS收發(fā)器框圖

多RF前端系統(tǒng)集成方案

4頻段GSM/GPRS系統(tǒng)的RF前端設計方案示于圖2,用一個高集成度單片CMOS收發(fā)器。天線開關模塊連接到發(fā)送和接收通路,對每個GSM頻段用接收器SAW濾波器和相關的匹配電路。發(fā)送通路至少需要兩個PA：一個PA用于GSM-850MHz和E-GSM-900MHz頻段,第2個PA用于1.8GHz DCS和1.9GHz頻段。

很多可用的集成RF前端模塊可降低元件數(shù)并簡化設計。它們包括帶動率放大器和功率控制邏輯功能(PA模塊)的模塊和帶PA及開關功能發(fā)送模塊 。在接收端,由SAW濾波器單元和帶多路開關和接收濾波器的RF前端模塊組成。

與圖2中的GSM/GPRS系統(tǒng)相比,圖1 3G多模系統(tǒng)的更復雜前端設計支持2.5G和3G RF信號傳輸。增加多路轉換器是必須的,因為WCDMA是基于頻分雙工,發(fā)送器和接收器是同時開關轉換。然而,像GSM/GPRS那樣,經(jīng)濟定標將帶來前端元件集成。

當今蜂窩基站結構分成兩種：基帶功能分成分離模擬和數(shù)字基帶芯片或單片高集成CMOS SoC器件(包含實現(xiàn)模式和數(shù)字功能)。因為,每種方法具有截然不同的優(yōu)點,所以在兩種分配方法之間進行選擇,取決于為大多數(shù)經(jīng)濟平臺方案選擇未來集成路線等因素。

盡管單片方法節(jié)省PCB真正的面積,但用分離的模擬和數(shù)字基帶芯片,對于集成是最可取的道路,因為它使模擬基帶功能與實現(xiàn)數(shù)字基帶的“純”數(shù)字電路隔離。兩片方案也能使數(shù)字基帶定標更小的CMOS幾何尺寸,同時集成其CMOS平臺元件(如應用處理器,圖像處理器,存儲器)

基帶結構的一種趨勢是簡單地去掉模擬基帶芯片,于是使數(shù)字基帶功能集成最佳,同時簡化無線到基帶芯片接口設計。此方法在無線和數(shù)字基帶之間,采用一個高速數(shù)字接口?？梢砸?guī)定此接口為串行或并行。串行接口降低了器件引腳數(shù),但增加了高速緩沖器芯片上的晶體管數(shù)。并行接口增加引腳數(shù)和封裝尺寸,但在硅中可更有效地實現(xiàn)。

現(xiàn)在,DigRF Standards Body 為2.5G規(guī)定了標準高速串行接口規(guī)范(見圖3)。當支持數(shù)字接口時,無線設計將增加復雜性。它不僅僅必須執(zhí)行模擬到數(shù)字和數(shù)字到模擬的轉換,而且必須有接口邏輯來處理基帶的數(shù)字通信。用CMOS工藝技術比其他工藝更容易、更經(jīng)濟地實現(xiàn)這些功能。

圖3 無線和數(shù)字基帶之間的2G DigRF接口

圖4 單片4頻段CMOS收發(fā)器框圖

CMOS優(yōu)點

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(chǎn)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?；跇O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?？删幊淘鲆鍵F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(chǎn)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。