從混合信號(hào)集成角度分析單芯片手機(jī)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上售出的每部數(shù)字蜂窩電話(huà)(手機(jī))的基帶和射頻部分都非常依賴(lài)于模擬子系統(tǒng)。盡管號(hào)稱(chēng)數(shù)字電話(huà)，但就電話(huà)設(shè)計(jì)而言，距離純粹的數(shù)字系統(tǒng)仍然很遙遠(yuǎn)。例如，電源仍須管理，電話(huà)輸入/輸出的音頻信號(hào)本質(zhì)上屬于模擬范疇，而射頻發(fā)射和接收仍然采用模擬方案，來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，或?qū)σ驯贿M(jìn)行數(shù)字編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。

因此，在更低成本集成這個(gè)總體需求的驅(qū)動(dòng)下，蜂窩電話(huà)芯片組供應(yīng)商必須努力采取精巧的平衡措施，因?yàn)橹圃鞌?shù)字和模擬系統(tǒng)內(nèi)容的最佳方法可能完全不同。即便在模擬部分，電源管理的最經(jīng)濟(jì)方法也可能不同于RF電路所采用的電源管理方法。在數(shù)字域也一樣，高端DSP核就可能不會(huì)采用系統(tǒng)存儲(chǔ)器所采用的理想的制造工藝。

在如今這個(gè)大家都希望擁有一部“單芯片蜂窩電話(huà)”的時(shí)代，有必要在朝單芯片目標(biāo)邁進(jìn)的過(guò)程中，對(duì)蜂窩電話(huà)中的混合信號(hào)集成問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。為了闡明其基本原理，下面以索尼愛(ài)立信面向低端市場(chǎng)的J200i手機(jī)為研究案例，揭示硅片上數(shù)字和模擬系統(tǒng)功能的劃分方法。

在基帶部分，通過(guò)射頻部分處理的接收信號(hào)產(chǎn)生一對(duì)最后被DSP處理的、表現(xiàn)為模擬信號(hào)的同相和四相(IQ)調(diào)制比特流。與此相似，DSP還在輸出端(發(fā)射端)產(chǎn)生射頻部分要用到的調(diào)制IQ數(shù)字比特流。在這兩種情形下，都有必要對(duì)射頻和基帶(信號(hào))進(jìn)行模擬和數(shù)字域之間的轉(zhuǎn)換，特別是接收端的A/D轉(zhuǎn)換和發(fā)射端的D/A轉(zhuǎn)換。

此外，語(yǔ)音頻段設(shè)計(jì)是另一個(gè)需要D/A和A/D轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域。揚(yáng)聲器需要來(lái)自DSP的模擬音頻；在DSP開(kāi)始對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行壓縮和編碼之前，麥克風(fēng)輸入必須被數(shù)字化。從歷史來(lái)看，主流供應(yīng)商提供的電話(huà)芯片組已經(jīng)將用于模擬和語(yǔ)音頻段編解碼器的A/D和D/A轉(zhuǎn)換集成到一個(gè)共享的“模擬ASIC”之中，這種“模擬ASIC”也常常支持工藝互補(bǔ)的電源管理功能。從芯片的經(jīng)濟(jì)性考慮，大多數(shù)供應(yīng)商得將數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)到同一顆芯片之中，而模擬功能則設(shè)計(jì)到另一顆芯片之中。與此相似，射頻芯片和存儲(chǔ)器也相繼被設(shè)計(jì)為第三和第四顆芯片，因?yàn)槊款w芯片都需要獨(dú)特的優(yōu)化工藝技術(shù)。

可是，在J200i設(shè)計(jì)中，Broadcom公司的BCM2121基帶芯片把基帶和語(yǔ)音編解碼功能都集成到同一個(gè)配備DSP的芯片中。進(jìn)一步看，該芯片包含用于參考頻率控制及各種模擬監(jiān)測(cè)功能的附加A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。飛利浦公司的PCF50603則在一個(gè)專(zhuān)用芯片中處理大多數(shù)電源管理功能。而裸片原型清晰地顯示：Broadcom的BCM2121芯片的裸片面積的25%以上分配給了模擬部分。

Silicon Labs公司的Si4206收發(fā)器也是一款包含混合電路的器件，因?yàn)檫@種收發(fā)器設(shè)計(jì)采用了“數(shù)字低IF”接收架構(gòu)，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器位于IF部分的兩側(cè)，以便分別集成第一級(jí)下變頻轉(zhuǎn)換和模擬I/Q輸出。然而，在單一封裝內(nèi)，Si4206實(shí)際上采用了三顆CMOS硅片，它們都被優(yōu)化為收發(fā)器方案的子單元。

因此，從微觀層面說(shuō)，我們看到了一家公司對(duì)硅片(很大程度上是模擬部分)的劃分方法，以期優(yōu)化總成本。在基帶之外，元器件的劃分再次回歸更為傳統(tǒng)的方法。來(lái)自Spansion公司的雙芯片式存儲(chǔ)器封裝提供代碼存儲(chǔ)功能，其中最少有一些工作存儲(chǔ)空間是用于Broadcom的通信DSP和控制器。

用于振鈴的Yamaha FM音頻芯片(YMU762)是一顆獨(dú)立的器件，原因有兩方面：一是混合信號(hào)芯片具有獨(dú)特的屬性；二是只有在需要的地方或需要的時(shí)候，才有必要靈活地添加成本稍高的功能。RFMD公司的RF3133 RF功率放大器采用GaAs芯片，提供最終的輸出放大功能；Epcos制造的模塊用于處理信號(hào)濾波以及射頻收發(fā)路徑的切換。這種功能劃分真可謂是：功能獨(dú)特、工藝獨(dú)特且部件獨(dú)特。

Broadcom的芯片是邁向單芯片手機(jī)的第一步的一個(gè)代表，該芯片的一些模擬子系統(tǒng)與數(shù)字處理部分一起被安排在電路板上。盡管如此，系統(tǒng)半導(dǎo)體中的平衡顯然已被打破，在工藝技術(shù)、功能靈活性和供應(yīng)商方面提供更加優(yōu)化的選擇。對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)，集成可能是業(yè)內(nèi)的一項(xiàng)通用準(zhǔn)則，其中對(duì)于蜂窩電話(huà)的混合信號(hào)世界而言猶為如此，事情也正在變得越來(lái)越復(fù)雜。

由于各種電話(huà)芯片組競(jìng)相追逐低成本“單芯片”方案，就需要對(duì)集成度進(jìn)行權(quán)衡。其他從事低成本蜂窩電話(huà)方案研究的公司有TI、英飛凌、Silicon Labs和飛利浦，但在他們的文檔資料中，單芯片指的是配備片外存儲(chǔ)器和RF功率放大器的方案。即便如此，現(xiàn)正準(zhǔn)備投產(chǎn)的平臺(tái)(仍然)針對(duì)簡(jiǎn)單的電話(huà)(嵌入式蜂窩通信)做了很好的定義并限定了功能。

圖1：J200i手機(jī)為數(shù)字和模擬電路的單片集成提供了例證。

對(duì)于更為復(fù)雜的電話(huà)設(shè)計(jì)，必須對(duì)成本、靈活性和增加的功能集進(jìn)行平衡。在這個(gè)領(lǐng)域，將來(lái)某個(gè)時(shí)間有望看到集成度略低的解決方案。

簡(jiǎn)介：

索尼愛(ài)立信公司的J200i移動(dòng)電話(huà)為對(duì)數(shù)字和模擬電路進(jìn)行單片集成提供了一項(xiàng)有用的例證，可視為通往單芯片移動(dòng)電話(huà)的一個(gè)先驅(qū)。但是，出于對(duì)不同混合信號(hào)系統(tǒng)的考慮，在蜂窩電話(huà)設(shè)計(jì)中必須審視(單芯片)集成的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。在這方面，又會(huì)遇到到有關(guān)在芯片中集成更多晶體管的摩爾定律的制約，使得在一段時(shí)期內(nèi)，包含多個(gè)元器件的電話(huà)實(shí)現(xiàn)方案更為現(xiàn)實(shí)。但是，即便現(xiàn)有的所謂“單芯片電話(huà)”平臺(tái)并非真正意義上的“單芯片電話(huà)”平臺(tái)，一旦把最適合的工藝技術(shù)的獨(dú)特屬性與其它電話(huà)設(shè)計(jì)考慮結(jié)合起來(lái)，用不了多長(zhǎng)時(shí)間，單芯片電話(huà)就會(huì)走進(jìn)我們的生活。