高集成度設計應對無線通信設備需求
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Analog Devices(ADI)射頻事業(yè)部高級營銷經(jīng)理Dale Wilson指出，“尺寸作為設計的一個重要的考量標準，在手持和便攜式應用中是尤為突出;而在較大的系統(tǒng)中，對尺寸大小也有要求，客戶希望在一定體積內(nèi)，實現(xiàn)更多更強的功能。在多數(shù)情況下，客戶希望單個設備在擁有多功能的同時，成本能有所下降。此外，他們還希望能夠減少組裝和測試成本、簡化實際設計工作。如果調(diào)諧、濾波、偏置等功能都能在芯片上實現(xiàn)，則可以大量減少用戶端的工作量，同樣也可以加快客戶產(chǎn)品的面市時間。分立射頻元件的性能通常比高集成度器件要好。但在許多應用中，只要目標價格得以實現(xiàn)，那么性能‘足夠好’就可以接受。因模擬和高性能射頻器件更多地采用CMOS工藝，也就有更多機會集成數(shù)字控制功能?！?/P>
為應對這種高集成度的要求，ADI公司傳統(tǒng)上采用先進的雙極型工藝實現(xiàn)其眾多高性能射頻產(chǎn)品。然后，客戶會在其系統(tǒng)內(nèi)采用數(shù)字控制功能。Wilson指出，ADI現(xiàn)正采用最新的BiCMOS工藝，它具有優(yōu)越的模擬性能以及在芯片中集成數(shù)字控制功能的能力。CMOS工藝也被用來實現(xiàn)高度集成的射頻器件，并且采用數(shù)字化處理來克服射頻性能局限。
去年秋天，ADI首次推出了支持高密度射頻卡的射頻混頻器和調(diào)制器，而且它能提升長期演進(LTE)和第四代(4G)基站(圖1)的容量和速度。ADRF670x系列混頻器和ADRF660x系列調(diào)制器可在單一器件內(nèi)整合多個獨立功能模塊。在4款ADRF660x系列的產(chǎn)品封裝內(nèi)集成了一個有源射頻混頻器、單端50歐輸入的射頻輸入平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器(balun)、以及一個集成有壓控振蕩器(VCO)的鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器。該有源混頻器提供6dB的電壓轉(zhuǎn)換增益。差分IF輸出工作于500MHz。ADRF6601接收混頻器工作在300到2500MHz，內(nèi)部LO范圍是750到1160MHz。在12dBm輸入功率時，它達到1dB的壓縮并可實現(xiàn)30dBm的輸入三階截點。該混頻器的單邊帶(SSB)噪聲是12dB。
圖1：射頻調(diào)制器和下變頻器包含一個集成PLL，它是一個多模N倍頻合成器，支持LTE 100KHz通道光柵。
每款ADRF670x調(diào)制器的都在射頻IC內(nèi)集成了模擬同相/正交(I/Q)調(diào)制器、RF輸出開關、帶壓控振蕩器的鎖相環(huán)。該調(diào)制器輸入帶寬為500MHz。ADRF6701 I/Q調(diào)制器的PLL/合成器使用一個N分頻(fractional-N)PLL，它將LO信號倍頻后饋送至I/Q調(diào)制器。PLL的參考輸入接受從12MHz到160MHz的信號。調(diào)制器的輸出頻率是400至1300MHz。其內(nèi)部L0頻率范圍是750到1160MHz。該器件在1dB壓縮點和29dBm輸出三階截點條件下，可提供14dBm的輸出功率，并提供158dBm/Hz的噪聲本底。
對PA的集成要求
隨著3G無線網(wǎng)絡的完善并逐漸向4G系統(tǒng)過渡，分布式架構(gòu)和有源天線系統(tǒng)的應用推動著對更小、更高效收發(fā)器和PA的需求。例如，美信集成產(chǎn)品(Maxim)公司的MAX9947就承諾可簡化滿足天線接口標準組織(AISG)的基站和塔安裝設備(圖2)的實施。這款尺寸為3x3mm，采用 TQFN形式封裝的單芯片收發(fā)器包含了發(fā)射器、接收器和有源濾波器。
圖2：收發(fā)器集成了帶Autodirection功能的輸出，可用來處理塔安裝設備的總線仲裁而無需MCU。
其中，發(fā)射器包括一個OOK調(diào)制器、一個符合AISG頻譜輻射規(guī)范的帶通濾波器和一個輸出放大器。接收器包括一個中心頻率在2.176MHz、帶寬為200kHz的帶通濾波器。它還包括一個用于重構(gòu)數(shù)字信號的比較器和OOK解調(diào)器。在50Ω輸入阻抗條件下，MAX9947具有-15到 +5dBm的輸入動態(tài)范圍。其可由電阻調(diào)控的輸出功率(7至12dBm)補償了外部電路和線路的損耗。該收發(fā)器支持所有的AISG數(shù)據(jù)速率：9.6、38.4和115.2kb/s。
在PA方面，設計師面臨很高的峰-均值比以及嚴苛的頻譜生長規(guī)范的約束。Scintera Networks公司希望能以其SC1887自適應射頻功率放大器線性器(RFPAL)系統(tǒng)級芯片(SoC)來滿足這種要求，SC1887在射頻域可執(zhí)行復雜的信號處理。SC1887由標準CMOS工藝制造，采用了該公司的千兆赫茲信號處理技術(shù)(GSP)。這種可編程模擬信號處理器(ASP)平臺，力圖降低模擬方案的功耗及實現(xiàn)更小尺寸，而這原本是數(shù)字信號處理(DSP)的優(yōu)勢。SC1887射頻輸入和射頻輸出方案支持獨立于基帶和收發(fā)器子系統(tǒng)的模塊化PA設計。SC1887的功耗小于600mW，非常適合低功率發(fā)射器。這款SoC覆蓋 698到1000或1800到2800MHz頻段。它支持的輸入信號帶寬可達60MHz、峰均值比為10dB。該芯片可實現(xiàn)將相鄰信道泄漏功率比(ACLR)改善至26dB。
對更高效率的追求，也是Nujira和RF Micro Devices(RFMD)這兩家公司開發(fā)PA的動力。這兩家公司稱，無線基礎設施供應商能夠利用它們的PA開發(fā)出可滿足世界各種傳輸標準的單一的多模、寬帶射頻前端。其PA設計主要針對4G基站，它集成了RFMD的RFG1M09180 180W氮化鎵(GaN)寬帶功率晶體管與Nujira的Coolteq.h包絡跟蹤功率調(diào)制器。僅使用一個RFG1M器件和一個Coolteq.h模塊，這款RFMD Nujira的RF前端就可工作(發(fā)射)在728到960MHz頻段。它具有45dBm的平均輸出功率，效率在50%以上。采用RFMD 目前開發(fā)的GaN器件，這兩家公司期望只使用三個寬帶PA就能覆蓋700至2600MHz的蜂窩頻率。
通過采用碳納米管作為PA晶體管的散熱材料，F(xiàn)ujitsu Laboratories
使用倒裝芯片結(jié)構(gòu)，碳納米管焊球(bump)經(jīng)過放大器頂部電極和基板之間。此外，在放大器的背面加裝一個散熱器，這樣，從放大器的兩面都可將熱量帶走。為在高頻獲得高放大倍率，互連至少需10μm長。富士通利用鋁-鐵(Al-Fe)膜將碳納米管延長至20μm，它與板垂直。與傳統(tǒng)方法比，這項新技術(shù)有望將散熱效率提高1.5倍。
這項工作凸顯了許多移動通信設計工程師對有效熱管理的關注。東芝(美國)電子元件公司主管微波、射頻和小信號器件的開發(fā)經(jīng)理Homayoun Ghani表示，更高效的設計僅需一個更小的散熱器，這使得在移動系統(tǒng)應用中可采用更小更輕的器件。他指出，“接下來面臨的挑戰(zhàn)主要來自這些小器件產(chǎn)生的熱量，以及如何正確地設計一個有能力處理這些熱量的系統(tǒng)?！盙hani指出，一些系統(tǒng)集成商采用液冷技術(shù)。
在蜂窩手機集成化設計過程中，會遇到他們自身的障礙。TriQuint公司負責移動器件的市場營銷高級主管Shane Smith表示，“對于模擬集成，半導體公司正在開發(fā)支持多模、多頻段工作的PA。目前，帶EDGE和GMSK調(diào)制的五頻段WCDMA需要客戶購買6個PA。 2010-2011年，客戶將只需購買一個PA模塊就可實現(xiàn)相同功能?！?/P>
以3G/4G融合手機架構(gòu)為目標，TriQuint Semiconductor提供TriQuint一體化移動前端架構(gòu)(TRIUMF，圖3)。該模塊提供了由GSM、EDGE、WCDMA和HSPA組成的射頻功能。與標準多頻段模塊方案比，以這種方式，有望將體積減小50%。通過將4個獨立PA模塊整合在一起，TRIUMF降低了手機組裝成本。由于整合了天線開關、模式/頻段(開關)、開關和雙工器的集成PA模塊會減小前端電路板面積，因而可使射頻系統(tǒng)小型化。
圖3：通過使用集成模塊替代多個分立模塊，手機制造商可以節(jié)省大量空間用于功能設計，如Wi-Fi、GPS、藍牙、照相機以及收音機等。
雖然CMOS在具成本效益的整合方面有許多顯著優(yōu)點，但在手機應用中，CMOS功率放大器一直無法匹敵或超過砷化鎵(GaAs)PA的性能。Javelin Semiconductor的營銷副總裁Patrick Morgan解釋說，“Axiom Microdevices開發(fā)出基于分布式有源變換器(DAT)的2G PA架構(gòu)，DAT是一種模擬技術(shù)。ACCO Semiconductor開發(fā)出一種用于PA的稱為MASMOS的新晶體管技術(shù)。總之，各公司試圖解決CMOS PA的挑戰(zhàn)的方法主要有以下三種：數(shù)字信號處理;新型的模擬架構(gòu)衍生;對標準CMOS工藝流程進行重大變革。”
針對W-CDMA和HSPA無
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