規(guī)模RF集成可減少手機線路板面積和功耗

如今的無線設(shè)備中，線路板上一半以上的元件都是模擬RF器件，因此要縮小線路板面積和功耗一個有效方法就是進行更大規(guī)模RF集成，并向系統(tǒng)級芯片方向發(fā)展。本文介紹RF集成發(fā)展現(xiàn)狀，并對其中一些問題提出應(yīng)對方法和解決方案。
　　
　　幾年以前，蜂窩手機市場還是單頻和雙頻單模手機占主導(dǎo)地位，其使用的技術(shù)僅支持一個或兩個蜂窩頻段，在所有支持頻段中采用相同的調(diào)制方法、多路訪問方案和協(xié)議。相比而言，今天的新一代蜂窩電話設(shè)計要復(fù)雜得多，能提供多頻段、多模式支持，具有藍牙個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、GPS定位等功能，而且超寬帶和電視接收功能已經(jīng)開始出現(xiàn)，此外像游戲、圖像、音頻和視頻等應(yīng)用在手機中也已變成非常普遍。
　　
　　無線電話正在成為所謂的手持個人娛樂中心這樣一種復(fù)雜設(shè)備，其發(fā)展趨勢對設(shè)計人員不斷帶來更多挑戰(zhàn)。雖然相比于只有語音功能的手機而言，新一代手機在通信處理、應(yīng)用處理、射頻接口數(shù)量以及集成存儲器容量等方面都有了大幅增長，但用戶仍期盼手機具有更小體積、流線型外形和低價位，而且要有大的彩色顯示屏，能提供與傳統(tǒng)語音手機相似的待機和通話時間。保持現(xiàn)有的外形尺寸和功耗，卻要使功能呈指數(shù)倍增長，同時還要維持總體系統(tǒng)成本不變，這些都給系統(tǒng)設(shè)計人員提出了大量的難題。
　　
　　顯然，問題涉及整個系統(tǒng)設(shè)計的各個部分，以及所有無線通信和娛樂內(nèi)容的供應(yīng)商們。在減少線路板面積和功耗方面特別有效的一個領(lǐng)域是無線系統(tǒng)設(shè)計的RF部分，這是因為在今天典型的移動電話中，線路板上的元件有一半以上是模擬RF元件，這些元件加在一起占據(jù)了整個線路板面積的30?40%，增加諸如藍牙、GPS和WLAN之類的射頻系統(tǒng)還會極大增加對空間的要求。
　　
　　解決方案是進行更大規(guī)模的RF集成，并最后發(fā)展成為完全集成的系統(tǒng)級芯片。有些設(shè)計人員將模數(shù)轉(zhuǎn)換器放到天線中，使射頻功能所需總線路板空間為之減少，當(dāng)半導(dǎo)體集成技術(shù)在單個器件中能集成更多功能時，分立器件數(shù)目及用來容納這些器件的線路板空間就都相應(yīng)減少了。隨著業(yè)界向系統(tǒng)級芯片集成發(fā)展，設(shè)計人員還將不斷發(fā)現(xiàn)新技術(shù)，以滿足小型無線設(shè)備中更高RF復(fù)雜性和延長電池壽命這兩者之間的矛盾。
　　
　　RF集成發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　RF集成一個重要的發(fā)展出現(xiàn)在大約三年以前，當(dāng)時RF技術(shù)和數(shù)字基帶調(diào)制解調(diào)器的發(fā)展使得在無線手機中用直接下變頻接收器替代超外差射頻器件成為可能。超外差射頻器件使用多級混頻器、濾波器和多個電壓控制振蕩器(VCO)，已經(jīng)很好地應(yīng)用了多年，但直接變頻射頻器件的集成度能夠大大減少GSM RF總體元件數(shù)。在上世紀(jì)九十年代后期，一個典型的單頻段超外差RF子系統(tǒng)包括PA、天線開關(guān)、LDO、小信號RF和VCTCXO，需要大約200個分立器件；今天，我們能夠設(shè)計一個具有四頻段功能的直接變頻系統(tǒng)，集成了VCO、VCXO和PLL回路濾波器，而它的元件數(shù)卻少于50個。

　　如德州儀器用于GSM的收發(fā)器TRF6151(圖1)，集成在上面的功能包括片上電壓調(diào)節(jié)器、VCO和VCO槽路、PA功率控制、PLL回路濾波器EDGE阻塞器檢測、LNA增益分步控制及VCXO。
　　
　　對于設(shè)計人員來講，先進的集成有助于克服無線RF中一些大的難題，其中最基本的一個是收發(fā)器的DC電源及其調(diào)節(jié)。在通話時，隨著溫度和時間變化，電池電壓會變化，此外，來自TX VCO和RX VCO電源的噪聲耦合也會影響整個系統(tǒng)的性能，因而設(shè)計人員面臨著如何解決射頻線路板調(diào)節(jié)器和大多數(shù)相關(guān)無源元件的問題。將這些器件集成在射頻收發(fā)器中意味著唯一所需的外部元件就是簡單的去耦電容，這種直接與電源相連的特性不僅簡化了設(shè)計，也節(jié)省了線路板空間。
　　
　　RF設(shè)計人員面臨的另一個挑戰(zhàn)是VCO調(diào)諧范圍和鎖定時間。在所有模擬VCO設(shè)計中。因為常常需要對鎖定時間和調(diào)諧范圍進行平衡，所以回路濾波器一般放在芯片外部。有時候，這可以在VCO調(diào)諧范圍的軟件控制中解決，然而這個方法對電話整體開發(fā)提出了額外的資源要求。當(dāng)數(shù)字調(diào)諧功能包括在VCO中且能提供自校準(zhǔn)時，就可得到一個擴展的調(diào)諧范圍，回路濾波器元件就能放在芯片中。顯然，這一方案可使設(shè)計工程師簡化他們的工作。
　　
　　為獲得GSM系統(tǒng)所需的發(fā)送器功率控制，PA制造商一般都將這一功能包括在功率放大器模塊(PAM)中。功率控制器通常由多達幾千個數(shù)字CMOS門組成，制作在PAM內(nèi)一個獨立的芯片中，該元件會使PAM的成本增加0.30~0.40美元。把這一功能集成到射頻器件中將使GaAsPAM制造商不必采購數(shù)字CMOS電路和將它們裝入PAM中，對于一個每月生產(chǎn)成千上萬產(chǎn)品的OEM來講，去掉這個多余的元件將大大降低他們的成本。
　　
　　先進集成能帶來實質(zhì)性節(jié)約的另一個領(lǐng)域是VCXO。在過去，要購買昂貴的VCTCXO模塊作為分立元件設(shè)計在射頻器件中，所以將VCTCXO模塊常用元件并入射頻器件中能減少費用和相關(guān)設(shè)計問題，利用TRF6151僅需要一個低價位的晶體和變?nèi)荻O管就能完成VCTCXO的功能。
　　
　　雖然有了這些集成和設(shè)計簡化，RF設(shè)計工程師依然面臨著困難的抉擇，其中之一是輸入靈敏度和RX功耗。眾所周知，低噪聲放大器(LNA)設(shè)計中所用的電流越大，總體噪聲特性就越低。設(shè)計工程師必須判定接收器的總功率預(yù)算，以及接收器靈敏度水平要求。但是噪聲并不隨功率減少而減少，事實上正好相反。所以雖然能滿足GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計人員也必須經(jīng)常問自己，為達到某個靈敏度水平而在功耗上付出代價是否值得。這個問題也說明對設(shè)計工程師和IC制造商來講為什么在整個設(shè)計過程中密切配合非常必要，從設(shè)計工程師處得到的反饋能夠引導(dǎo)IC制造商在開發(fā)未來RF產(chǎn)品時更好地為無線業(yè)界服務(wù)。

　 向SoC發(fā)展
　　
　　降低無線系統(tǒng)的成本、功率和復(fù)雜性對于成功滿足系統(tǒng)集成度要求是非常重要的，然而，開發(fā)移動電話高集成度方案需要半導(dǎo)體業(yè)界克服復(fù)雜的技術(shù)障礙，這些障礙有些很少被設(shè)計人員所關(guān)心，因為他們很多人并不想知道SoC器件是怎么制成的，而只要能提供所需性能就行了。所以，很有必要對一些工藝技術(shù)作一個快速的了解，這些技術(shù)將影響蜂窩手機集成所用器件的能力和可用性。
　　
　　手機射頻電子系統(tǒng)集成有幾種可行方案。首先，可以使用傳統(tǒng)技術(shù)在一個相對簡單的雙極型或BiCMOS工藝中實現(xiàn)一個傳統(tǒng)射頻架構(gòu)，最終的射頻芯片可以用多芯片封裝技術(shù)(系統(tǒng)級封裝技術(shù))與手機數(shù)字邏輯功能組裝在一起。雖然這一技術(shù)有很多優(yōu)點，如采用了熟悉的射頻設(shè)計方法和成熟的工藝和技術(shù)，但測試器件高昂的費用和成品率限制使它很難實現(xiàn)商用化。
　　
　　另外還有一種方法，手機電子系統(tǒng)集成也可用先進BiCMOS(SiGe)晶圓工藝得到。然而由于處理SiGe HBT器件需要額外的光刻工序，因此最后的芯片將需要一個額外的費用，同時因為SiGe BiCMOS技術(shù)不能利用最先進的光刻工藝，所以通常BiCMOS工藝落后于先進的數(shù)字CMOS工藝。這些都會給增加手機特性并降低成本帶來巨大的壓力，它不可能用簡單的晶圓工藝策略來解決，因為這一技術(shù)無法在所有時間保持系統(tǒng)邏輯或數(shù)字部分都是最低可能價位，所以在BiCMOS(或SiGe)中系統(tǒng)基帶功能射頻部分進行單片集成不是一個很好的選擇。
　　
　　可以考慮的最后方案是在CMOS中進行射頻集成，這一方法也面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)有幾種CMOS蜂窩射頻設(shè)計，但這些設(shè)計很大程度是建立在模擬功能上。用CMOS技術(shù)來實現(xiàn)模擬混頻器、濾波器和放大器是很困難的，而且功耗一般要大于SiGe BiCMOS方案。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS額定電平越來越低，這使模擬設(shè)計更為困難。在開發(fā)新工藝早期，器件建模和工藝成熟性一般都不能滿足模擬模塊設(shè)計所需的高精度參數(shù)建模要求，不過，最近開發(fā)的數(shù)字CMOS射頻架構(gòu)使單片CMOS集成變得更有吸引力。
　　
　　在制造商尋求低成本RF系統(tǒng)級芯片方案時，這些方案也驅(qū)動著半導(dǎo)體工業(yè)向前發(fā)展。盡管每種集成方案都有困難，但射頻元件集成能達到如此高的水平確實也令人感到驚訝?？朔@些困難將使無線手機設(shè)計向前跨越一大步，并為不久將來更大的集成設(shè)立了方向。
　　
　　本文結(jié)論
　　
　　在RF集成方面依然有許多難題?，F(xiàn)代手機的每一個射頻器件都面臨著嚴(yán)格的性能要求，靈敏度要求大約為-106dBm(1毫瓦以下106dB)或更高，而相應(yīng)的電平只有幾個微伏；另外選擇性也即有用通道對相鄰頻段的拒絕能力(通常稱為阻塞)應(yīng)為60dB數(shù)量級；此外系統(tǒng)振蕩器要求運行在非常低的相噪聲下，以防止折疊阻塞能量進入接收頻段。由于涉及到非常高的頻率和極苛刻的性能要求，射頻集成是非常困難的。
　　
　　處理多頻率標(biāo)準(zhǔn)為整個SoC頻率帶來一個真正的挑戰(zhàn)，希望能夠減輕帶內(nèi)信號傳輸產(chǎn)生的激勵，向數(shù)字射頻集成所包括的內(nèi)容要比將多個射頻元件放在一個芯片中多得多，需要有一個硬件共享的新架構(gòu)。
　　
　　對于系統(tǒng)設(shè)計人員來講，目前簡單、高集成度、節(jié)省成本的半導(dǎo)體器件能夠大大降低設(shè)計復(fù)雜性，與此同時它們又能夠豐富無線器件的特性且保持系統(tǒng)尺寸、電池壽命和費用不變。新的高集成度RF器件還可以消除一些無線設(shè)計中的爭論，節(jié)約工程師們寶貴的時間。