高性能、高集成度的TD-SCDMA模擬基帶集成電路

　　作為中國(guó)原創(chuàng)技術(shù)，與WCDMA及CDMA2000并列的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)——TD-SCDMA技術(shù)已步入實(shí)用化階段。隨著TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立和發(fā)展，以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為核心的覆蓋集成電路、設(shè)備、系統(tǒng)、終端和科研的產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成。隨著TD-SCDMA試驗(yàn)網(wǎng)在北京、成都、重慶三地開通和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的開展，對(duì)TD-SCDMA的發(fā)展已無(wú)多少懸念。然而TD-SCDMA的各種技術(shù)優(yōu)勢(shì)并不能夠解決其技術(shù)形成晚的問題，國(guó)內(nèi)的TD-SCDMA的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化均無(wú)法與WCDMA和CDMA2000相比，特別是在集成電路研發(fā)方面。

　　TD-SCDMA手機(jī)終端的核心由射頻(RFIC)、模擬基帶(ABB)和數(shù)字基帶(DBB)組成?，F(xiàn)今手機(jī)通常采用雙芯片解決方案，即射頻芯片和基帶芯片。前者涵蓋了射頻接收、發(fā)射、頻率合成和功率放大等功能，后者則包含了模擬基帶和數(shù)字基帶功能，分別實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和協(xié)議處理。現(xiàn)在獨(dú)立的ABB芯片已不多見，如Maxim公司的MAX19700。但在產(chǎn)業(yè)化初期階段，研發(fā)TD-SCDMA專用的ABB芯片仍然有意義。

　　首先DBB芯片是一款純數(shù)字芯片，因此DBB芯片可以隨著CMOS制造工藝的演進(jìn)而演進(jìn)，而ABB芯片作為一款典型的混合信號(hào)芯片，其成本對(duì)工藝并不敏感。其次集成基帶解決方案主要是為了降低終端設(shè)計(jì)難度和制造成本，但如果能夠合理分配功能，提高各自的集成度，分離的解決方案同樣具備競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)分離方案有利于降低各自的研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期、加快實(shí)用化進(jìn)程，在現(xiàn)階段對(duì)于TD-SCDMA這樣的新興技術(shù)是可行和有利的。為此捷頂微電子(上海)有限公司推出了一款TD-SCDMA終端專用的ABB芯片——AS2003。

　　AS2003是一顆高性能、高集成度的TD-SCDMA終端專用ABB信號(hào)處理芯片，其內(nèi)部架構(gòu)見圖1。芯片中集成有多路中頻信號(hào)數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、中頻信號(hào)放大器、低通濾波器、多路輔助數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和單路帶選通開關(guān)的多路輸入輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。此外AS2003還集成了完整的音頻處理電路和輔助電源管理電路，包括帶雙路輸入和雙路輸出的單聲道音頻編解碼器，音頻功率放大器，可用于電池電壓或溫度信號(hào)檢測(cè)的輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)機(jī)檢測(cè)電路和低電壓監(jiān)測(cè)保護(hù)電路，集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供豐富的定時(shí)功能。采用1.8/3.0V供電的AS2003有著優(yōu)秀的信號(hào)處理性能和極低的功耗，收發(fā)通道電路工作的典型電流僅10mA，在關(guān)機(jī)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘工作時(shí)，工作電流僅有5uA，可明顯延長(zhǎng)終端的通話時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。Mini-BGA的封裝和極少的外圍被動(dòng)元件需求可有效節(jié)省PCB面積、簡(jiǎn)化終端設(shè)計(jì)、降低成本。

　　AS2003的實(shí)現(xiàn)

　　ABB芯片最基本的功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)正交中頻信號(hào)的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換，因此需要雙路ADC處理RF芯片輸出的正交模擬I/Q中頻信號(hào)、雙路DAC處理DBB芯片生成的正交數(shù)字I/Q中頻信號(hào)。這些ADC和DAC要有合適的采樣和轉(zhuǎn)換精度及速率、高信噪比、高無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍、優(yōu)良的相位和增益匹配度。

　　圖1：AS2003內(nèi)部架構(gòu)示意圖

　　AS2003采用雙路10位ADC和雙路10位DAC，支持最高5.12Msps采樣頻率的設(shè)計(jì)。當(dāng)輸入640kHz模擬中頻信號(hào)，采樣率為5.12Msps時(shí)，ADC的SINAD達(dá)到54.9dB，SFDR可達(dá)78dBc。配合集成的全差分輸入放大器，I/Q通道的相位匹配度可達(dá)±0.22°，增益匹配度為±0.02dB。

　　在中頻發(fā)送電路部分集成了一可選通的帶寬640kHz的低通濾波器，其旁瓣抑制大于55dB。當(dāng)?shù)屯V波器工作時(shí)，DAC的阻帶抑制大于55dB，典型的I/Q通道的相位匹配度可達(dá)±0.16°，增益匹配度為±0.05dB，并可通過調(diào)節(jié)輸出共模電壓來調(diào)節(jié)I/Q信號(hào)的失調(diào)。

　　ADC和DAC共享的高速數(shù)據(jù)總線，在滿足TD-SCDMA時(shí)分雙工(TDD)工作模式的前提下進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)總線由ADC I/Q復(fù)用電路、DAC I/Q解復(fù)用電路和收發(fā)雙工電路共同實(shí)現(xiàn)，接口采用半雙工模式，DBB芯片可通過改變發(fā)射/接收(Tx/Rx)信號(hào)來控制數(shù)據(jù)傳輸方向。為了降低對(duì)時(shí)鐘頻率的要求，AS2003采用雙速率模式設(shè)計(jì)，即在時(shí)鐘的上下沿均傳輸數(shù)據(jù)，上邊沿傳輸I路數(shù)據(jù)，下邊沿傳輸Q路數(shù)據(jù)。

　　除了射頻信號(hào)外，DBB芯片需要通過改變射頻前端電路的各類放大電路的增益來調(diào)整接收靈敏度和發(fā)射功率，同時(shí)還要通過調(diào)整射頻前端電路的頻率合成器來改變射頻頻率。為此AS2003集成了三路獨(dú)立的12位精度輔助DAC，可分別用于生成RF芯片中的接收放大器，頻率合成器和發(fā)送放大器的模擬控制信號(hào)。這些DAC通過SPI接口接受來自DBB芯片的控制數(shù)據(jù)，在連接20kΩ負(fù)載時(shí)每路DAC的建立時(shí)間小于0.3us，這種快速建立特性能有效地保證DBB芯片對(duì)RF芯片的實(shí)時(shí)調(diào)整。

　　在手機(jī)終端中音頻處理是一重要組成部分，其性能直接影響用戶的使用體驗(yàn)。AS2003中集成的高性能16位Δ-Σ音頻編解碼電路提供了豐富的特性。這一音頻編解碼電路包含可選擇的雙路麥克風(fēng)輸入，高保真的差分單路音頻輸出，集成的最大輸出功率可達(dá)400mW的揚(yáng)聲器功率放大器，以及內(nèi)置的可變?cè)鲆娴臄?shù)字Side-Tone音效處理電路，從而提供了完整的手機(jī)音頻解決方案。大于73dB的典型信噪比和小于-73dB的THD，32級(jí)的連續(xù)音量調(diào)節(jié)能力，使得集成的音頻編解碼器已完全能夠替代專用的手機(jī)音頻芯片。此外AS2003提供兼容性的數(shù)字音頻接口，可配置4線PCM接口能夠輕松地兼容多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻接口，如PCM、McBSP、SerialPort和I2S。良好的性能和兼容性提高了對(duì)DBB芯片的選擇自由度。

　　除上述功能外，AS2003還提供了一些能進(jìn)一步簡(jiǎn)化手機(jī)終端設(shè)計(jì)的功能。集成的帶選通開關(guān)的4路輸入10位SAR-DAC可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)如電池電壓或溫度等模擬信號(hào)的測(cè)量，可幫助DBB芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、溫度等多種模擬量的監(jiān)控。AS2003實(shí)現(xiàn)的開關(guān)機(jī)控制電路配合電源調(diào)節(jié)芯片，運(yùn)用合理的設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)帶記憶的單按鍵啟動(dòng)或關(guān)閉手機(jī)，而無(wú)需依賴專用的手機(jī)電源管理解決方案。電池監(jiān)測(cè)保護(hù)電路則可實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)電池電壓降低到閾值時(shí)，AS2003能夠自動(dòng)關(guān)閉手機(jī)以保護(hù)電池。AS2003中集成的超低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘則提供了更加實(shí)用的功能，它不僅能為系統(tǒng)提供的準(zhǔn)確的時(shí)間，而且通過可編程多模式的鬧鐘功能產(chǎn)生中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)諸如定時(shí)開機(jī)、定時(shí)關(guān)機(jī)、定時(shí)喚醒等等功能。

　　AS2003的典型應(yīng)用

　　得益于良好的設(shè)計(jì)和集成度，僅需選配少量的電阻和電容，就能夠采用AS2003與RF芯片(組)和DBB芯片構(gòu)建完整的TD-SCDMA手機(jī)核心解決方案。AS2003提供的接口可分為RF接口、DBB接口、音頻接口、電源接口和輔助接口(圖2)。

　　圖2：AS2003的典型應(yīng)用

　　AS2003的RF接口提供了模擬信號(hào)接口和模擬控制接口。模擬信號(hào)接口分為2對(duì)4路I/Q輸入接口和2對(duì)4路I/Q輸出接口，分別用于連接RF芯片中頻信號(hào)的輸出和輸入。4對(duì)接口均采用差分方式，可以與RF芯片直接連接。如需進(jìn)一步提高性能，也可選用AC耦合連接方式，此時(shí)僅需增加兩顆分壓電阻，從AS2003提供的基準(zhǔn)電壓取出中間電壓，作為I/Q ADC輸入的共模電壓。AS2003輸出的3路模擬控制信號(hào)可直接連接射頻前端的AGC、AFC和APC接口，其0.3V至2.2V的電壓范圍可滿足對(duì)絕大部分RF芯片的控制要求。

　　AS2003的DBB接口比較多，但基本上直接連接即可，包括10位的高速數(shù)據(jù)總線、2路SPI接口、時(shí)鐘接口、收發(fā)信號(hào)接口和PCM數(shù)字音頻接口。其中2路SPI接口是主要控制接口，均工作于Slave模式，SPI1接口用于控制AS2003的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和3路RF控制用DAC，SPI2接口用于控制其它功能。DBB芯片與AS2003可透過半雙工的高速數(shù)字總線交換中頻信號(hào)數(shù)據(jù)，但DBB芯片需要主動(dòng)控制收發(fā)信號(hào)接口以調(diào)整數(shù)據(jù)流向。

　　AS2003可輸出標(biāo)準(zhǔn)的32.768kHz時(shí)鐘方波至DBB芯片，DBB芯片也可通過SPI2接口讀取或設(shè)置AS2003中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(包括日期和時(shí)間)，設(shè)置后AS2003將自行維護(hù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。AS2003提供了多模式的鬧鐘功能，經(jīng)SPI2設(shè)置后，AS2003能夠定時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)諸如定時(shí)開機(jī)、定時(shí)關(guān)機(jī)功能，也可定時(shí)喚醒DBB芯片。

　　AS2003的音頻接口包括PCM接口、耳機(jī)輸出接口、揚(yáng)聲器輸出接口和主/備麥克風(fēng)接口。PCM接口可通過SPI2接口配置，配置后可兼容PCM、I2S，McBSP和SerialPort等多種數(shù)字音頻接口規(guī)范。耳機(jī)輸出接口需要一顆分壓電阻，而差分的揚(yáng)聲器輸出接口可直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，在8Ω負(fù)載時(shí)最大輸出功率可達(dá)400mW。主麥克風(fēng)接口為差分輸入，可通過兩個(gè)RC濾波電路接入主麥克風(fēng)。輸出選通和麥克風(fēng)選通及音量可通過SPI2接口調(diào)節(jié)。

　　本文小結(jié)

　　作為一款TD-SCDMA手機(jī)終端專用的ABB芯片，AS2003提供了比標(biāo)準(zhǔn)ABB芯片更為豐富的功能，其高集成度能夠有效地降低TD-SCDMA手機(jī)終端對(duì)除核心器件以外的元器件的需求。顯而易見，功能合理的ABB芯片同樣能夠降低手機(jī)終端的設(shè)計(jì)難度和制造成本。