無線手機使用的集成式RF功放器/濾波器前端

CMOS設計人員多年來一直把各種功能集成到大型集成電路中。大家已經(jīng)看到，摩爾定律在日常生活中給性能和成本帶來了難以置信的影響。在移動通信終端中，許多元器件要么已經(jīng)集成到RFIC中，要么因直接數(shù)字上/下變頻器的出現(xiàn)而消失。 在通信終端中，到目前一直有兩個RF元器件沒有集成，即濾波器和RF功放器，這兩種器件采用的構(gòu)建技術(shù)都不兼容芯片上CMOS集成。在傳統(tǒng)上，濾波器一直采用陶瓷或表面聲波(SAW)技術(shù)構(gòu)建，而RF功放器則一直使用GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)或FET器件構(gòu)建。

由于這些技術(shù)與RFIC使用的硅或SiGe工藝有著很大區(qū)別，因此功放器和濾波器一直作為分散器件，與現(xiàn)在執(zhí)行手機大部分RF功能的大規(guī)模集成芯片組分開。聲音諧振器技術(shù)和先進的低噪聲高線性度晶體管技術(shù)已經(jīng)明顯縮小了每種分散功能的體積。圖1是當前CDMA PCS手機設計中使用的單獨的薄膜腔聲諧振器(FBAR)濾波器和增強模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管(E-pHEMT)功放器。

但是，當前的單片電路濾波器和放大器技術(shù)允許設計人員突破RF集成障礙，重要的技術(shù)進步包括：

表面聲波(SAW)濾波器

FBAR濾波器

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)

E-pHEMT

由于每種技術(shù)都把某種RF功能精簡到單片電路設備上，因此可能需要重要舉措來提高集成度。以前的技術(shù)如陶瓷濾波器需要采用非單片電路結(jié)構(gòu)，單片電路放大器集成起來很不方便。

最近，多家公司已經(jīng)開始采用多種芯片技術(shù)和多板上多芯片(MCOB)封裝開發(fā)RF模塊。這種方法通過采用優(yōu)化的半導體工藝，可以實現(xiàn)最佳的濾波器和功放器性能。GaAs HBT或E-pHEMT放大器可以與基于硅的FBAR濾波器集成在一個價格低廉的封裝中。同時，MCOB模塊可以大大降低體積，改善RF前端的性能。

集成式RF前端模塊(FEM)的第一個、也是最明顯的優(yōu)勢是可以進一步縮小體積。圖2是雙頻CDMA手機的典型布局。$輪廓指明了容納800 MHz和1900 MHz頻段的雙工器、濾波器和放大器所需的空間。藍色輪廓同比例顯示了實現(xiàn)兩個集成了雙工器/放大器的FEM所需的電路板空間。尺寸大大降低主要歸功于消除若干個元器件使用的多個輸入/輸出接口。

RF FEM的第二個明顯優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)的效率改善。通過優(yōu)化輸出上功放器和濾波器/雙工器之間的接口，設計人員可以把典型手機的通話時間延長半小時以上。

能夠把功放器和濾波器與實現(xiàn)最優(yōu)效率或線性度性能的阻抗自由匹配起來，可以產(chǎn)生明顯的好處。圖3中比較了放大器和雙工器組合，其中使用同一放大器，但集成程度不同。在全部三項測試中，雙工器的輸出功率都設為+24.5 dBm。改進的匹配程度及降低集成式前端模塊中發(fā)射鏈的插入損耗，可以大大改進效率。在CDMA手機中，改進的效率可以把通話時間延長35 – 45分鐘。

第三個優(yōu)點：由于RF元器件之間的線路長度可能非常短，因此集成式FEM更不容易受到RF干擾。通過把多種功能集成到一個微型MCOB器件中，RFIC的發(fā)射機輸出與天線之間的整體電長度會變得非常短，因此，PCB的RF段收到的干擾和發(fā)射的干擾都會比較少，從而降低對其它元器件的潛在影響。

這一性能改善將把我們帶到哪里？通過采用零IF結(jié)構(gòu)及數(shù)字應用技術(shù)的其它進步，似乎很明確的一點是，進一步集成對RF元器件不可避免。問題仍然是：進一步集成RF放大器和濾波器會發(fā)生在RFIC和/或基帶芯片組中，還是有單獨的RF集成道路？

多種市場發(fā)展態(tài)勢表明，這種集成可能是分開的，也就是說，將在單獨的元件中進行RF集成。例如，在GSM和W-CDMA市場中，RFIC通常由基帶芯片之外的不同廠商提供。由于CMOS技術(shù)正在不斷改進速度和性能，大多數(shù)專家同意，基帶/RFIC芯片組在未來幾年內(nèi)將變得可行。CMOS技術(shù)的低成本使經(jīng)濟推動因素相當顯著：一旦CMOS能夠支持RFIC的功能，我們可以預計市場將需要可能實現(xiàn)的較低價位。

另一方面，功放器和專用濾波器等RF元器件要求的性能與半導體工藝有著很大的差異。功放器要求高線性度，晶體管導致的噪聲較低，同時把信號電平提升到接近1 W。基于CMOS的放大器近年來取得一定的進步，但預計不會與高遷移性材料爭奪高功率應用，因為CMOS工藝是為低電流/低電容晶體管應用優(yōu)化的。因此，在要求大量功率的移動無線應用中，CMOS放大器在線性度和效率方面有著明顯的缺點。

濾波器和雙工器給CMOS技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。大多數(shù)移動手機目前采用陶瓷、SAW或FBAR諧振器，以利用陶瓷或聲音技術(shù)提供的高Q優(yōu)勢。CMOS器件中的電感器Q一般約為100，而陶瓷沒有負荷的Q值在1000 – 3000之間，單片電路FBAR諧振器的Q值則要高達3000。沒有負荷的Q值越高，濾波器的插入損耗越低，滾降越劇烈，從而可以改進抑制性能。因此，許多芯片組供應商考慮把嵌入式濾波器集成到RFIC中。這種方法給簡單的濾波器應用帶來了一些希望，如GSM接收機和發(fā)射機濾波器，其中將在硅晶片流程中制作分散的模具，如FBAR，然后可以把模具嵌入到基帶或RFIC器件中。(注：由于石英晶體基底和基于硅的RFIC的熱量不匹配，因此可能很難以類似方式集成SAW濾波器。)

在CDMA和W-CDMA等FDD應用中，一般使用雙工器把接收機頻段和發(fā)射機頻段分開。由于雙工器必須位于天線接口上，因此功放器自然而然地位于RFIC和雙工器之間(圖4)。因此對CDMA和W-CDMA，把雙工器嵌入RFIC中變得有問題。為實現(xiàn)杰出的解決方案，有必要同時集成濾波器技術(shù)和功放器技術(shù)。

對移動手機應用，在性能、成本和供應商發(fā)展動態(tài)之間實現(xiàn)最佳平衡似乎需要采用圖5所示的結(jié)構(gòu)。由于集成式基帶/RFIC芯片組，如綠色顯示的手機的數(shù)字部分可以被推動到非常低的成本和非常高的性能，因為可以為這些功能優(yōu)化CMOS工藝和設計。如藍色所示，一兩個單獨的RF前端模塊將利用GaAs功率器件中更高效的性能及單片電路諧振器拓撲的高Q濾波器性能。

在過去15年中，移動手機設計的整體發(fā)展趨勢已經(jīng)涉及到大規(guī)模集成度。這種趨勢將繼續(xù)，為未來的多頻多模式手機提供性能和成本優(yōu)勢。由于目前多家公司的RF開發(fā)進展，我們可以期待具有2G和3G功能的手機，并在電路板上留出更多的空間，實現(xiàn)更大的內(nèi)存、處理能力及更加高級的應用。

圖示內(nèi)容：

圖1. 典型的分散器件。典型的FBAR 濾波器(左)和采用E-pHEMT有源模具的放大器(右)。

圖2. 典型的雙頻CDMA手機及通過RF集成可能節(jié)約的體積示意圖。

圖3. PCS CDMA手機設計效率比較。

圖4. 簡單的前端模塊方框圖。

圖5. 雙模式GSM和3G手機的未來移動手機劃分。