3G中的CMOS基RF集成(05-100)

　　CMOS優(yōu)點(diǎn)

　　用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)收發(fā)器有下列優(yōu)點(diǎn)：

• 　　CMOS與SiGe BiCMOS工藝相比,在相等的工藝尺寸具有更低晶片成本結(jié)構(gòu)。
• 　　CMOS允許用標(biāo)準(zhǔn)工藝在多個(gè)廠家進(jìn)行芯片制造。
• 　　根據(jù)Moore定律,CMOS設(shè)計(jì)可以定標(biāo)更小工藝尺寸。
• 　　CMOS能夠?qū)崿F(xiàn)RF功能數(shù)字電路,導(dǎo)致高度可編程設(shè)計(jì),使其具有小的芯片、高度可制造性,良好的堅(jiān)固性。
• 　　CMOS收發(fā)器可以集成其他功能(如DigRF接口或數(shù)字基帶功能),從而構(gòu)成單片RF和基帶元件。
• 　　CMOS已證明是實(shí)現(xiàn)收發(fā)器的一種技術(shù),廠家已生產(chǎn)出大量GSM/GPRS、WLAN和藍(lán)牙無(wú)線電。

　　多模GSM/GPRS/EDGE/WCDMA手機(jī)選用收發(fā)器結(jié)構(gòu),是一個(gè)關(guān)鍵決定?，F(xiàn)在,在很多單片CMOS GSM/GPRS收發(fā)器中,通常集成VCO、頻率合成器、環(huán)路濾波器和DCXO,這種集成特別重要。高集成有助于保證良好的無(wú)線性能,這是因?yàn)殛P(guān)鍵功能與外部噪聲源屏蔽。

　　在恒定幅度的GSM/GPRS 阻斷器和調(diào)幅EDGE或WCDMA阻斷器中的接收器,必須提供良好的幅度調(diào)制抑制功能。與傳統(tǒng)超外差設(shè)計(jì)相比,最流行的接收器結(jié)構(gòu)是低中頻或零中頻,其中所設(shè)計(jì)的接收器和發(fā)送器鏈路不需要外部IF SAW濾波器。

　　直接變頻接收器,直接變換輸入信號(hào)為低頻信號(hào),便于實(shí)現(xiàn)可編程濾波器。直接變頻無(wú)線電的一個(gè)問(wèn)題是由大阻斷器的本地振蕩器自混頻引起DC偏移出現(xiàn),因而惡化下變頻信號(hào)。解決此問(wèn)題往往需要基帶執(zhí)行DC偏移校正,通常是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在低中頻接收器中,通過(guò)混頻和濾波從所希望的下變頻信號(hào)中去掉DC偏移。此外,低中頻設(shè)計(jì)通常具有集成合成器、環(huán)路濾波器和調(diào)諧元件來(lái)防止外部相位噪聲源引起的相互混頻。

　　對(duì)于發(fā)送器,線性上變頻結(jié)構(gòu)往往最適合于GSM/GPRS、EDGE、CDMA和WCDMA,而極性環(huán)路設(shè)計(jì)主要用于EDGE收發(fā)器。線性上變頻結(jié)構(gòu)在貫穿發(fā)送器鏈路中(從其帶I和Q信號(hào)到天線)保持線性?；跇O性環(huán)路或極性調(diào)制的無(wú)線電靠犧牲附加定標(biāo)和所需功率控制反饋環(huán)路復(fù)雜性來(lái)提供附加的高功率效率。此外,極性發(fā)送器需要一個(gè)特殊定制的PA,來(lái)保證幅度精確匹配和相位延遲。線性發(fā)送器不像極性發(fā)送器那樣,它可以廣泛地采用現(xiàn)有PA元件。

　　單片4頻段GSM/GPRS設(shè)計(jì)

　　為了成功地開(kāi)發(fā)一款支持3G和2G服務(wù)多模CMOS無(wú)線電,收發(fā)器IC公司在力圖用其他模式組合(如EDGE和WCDMA)設(shè)計(jì)器件前,必須證明它有能力為GSM/GPRS應(yīng)用開(kāi)發(fā)和制造單片多頻段CMOS收發(fā)器。

　　圖4示出一個(gè)4頻段GSM/GPRS CMOS收發(fā)器設(shè)計(jì)。4頻段接收器用低中頻結(jié)構(gòu)代替零中頻,因低中頻受1/f噪聲、DC偏移和有限接收器IIP2的影響較小。用片上電感負(fù)反饋的全差分共源放大器實(shí)現(xiàn)LNA,用于阻抗匹配和增益峰值。LNA也執(zhí)行低增益模式。

　　LNA之后,正交混頻器下變頻所希望的RF為低中頻。接收器的低中頻部分由5階復(fù)雜Butterworth濾波器和PGA組成。每個(gè)復(fù)雜濾波器級(jí)為GSM阻斷器和圖像信號(hào)提供抑制,并提供所希望信號(hào)的可編程放大。增益分布和濾波器極的定序使總Rx SNR最大。可編程增益IF濾波器與LNA增益結(jié)合在一起具100dB可編程增益。DCOC電路防止IF增益級(jí)飽和。濾波器I和Q通道之間電阻交叉耦合導(dǎo)致I信道上DC偏移影響Q信道,反之亦然。復(fù)雜濾波器之后,低中頻解調(diào)電路下變頻IF I和Q信號(hào)為基帶頻率(用數(shù)字合成時(shí)鐘)。

　　發(fā)送器結(jié)構(gòu)是基于OPLL基礎(chǔ)上的,它包括一個(gè)正交調(diào)制器和一個(gè)完全集成的低相位噪聲RF VCO。由正交調(diào)制器把基帶I和Q GMSK信號(hào)變?yōu)镮F。一個(gè)5階Gm-C低通濾波器可消除不希望的頻率分量。用片上環(huán)路濾波器濾波PFD輸出,此輸出用于驅(qū)動(dòng)RF VCO ,RF VCO含蓋GSM-850、GSM-900、DCS-1800和PCS-1900頻段。

　　VCO輸出驅(qū)動(dòng)片上發(fā)送緩沖器。此緩沖器的RF輸出電平可編程到適應(yīng)不同的PA模塊。單端輸出不需要外部平衡—不平衡轉(zhuǎn)換器。片上VCO相位噪聲和TX前置PA驅(qū)動(dòng)器噪聲一起決定接收頻段的TX輸出噪聲(這是GSM發(fā)送器的最嚴(yán)格性能指標(biāo)之一)。為使噪音減小、DC電流耗電減少,從VCO輸出到前置PA驅(qū)動(dòng)器,輸入保持在軌到軌信號(hào)或后置PA發(fā)送帶通濾波器,因此,改善了發(fā)送器功率效率。

　　用單頻率合成器為發(fā)送器和接收器產(chǎn)生本地振蕩信號(hào),以此利用GSM的時(shí)分雙工特性。用3階△ΣN分合成器來(lái)為Tx和Rx模式頻率設(shè)計(jì)提供最大靈活性。用帶片上電感器的VCO,來(lái)滿足Rx和Tx相位噪聲所要求的容限。

　　結(jié)語(yǔ)

　　擴(kuò)大數(shù)字領(lǐng)域的設(shè)計(jì)復(fù)雜性,發(fā)揮高密度CMOS邏輯的有效性。實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)(包含延伸的DSP技術(shù)和共用功能單元),是成功和經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)的最基本要素。

　　靠解決實(shí)現(xiàn)單片4波段GSM/GPRS CMOS收發(fā)器問(wèn)題,RF集成電路設(shè)計(jì)師可以解決支持EDGE、WCDMA和其他無(wú)線技術(shù)的單片無(wú)線電開(kāi)發(fā)問(wèn)題。把高集成前端模塊和數(shù)字接口基帶IC結(jié)合在一起,所得到的CMOS收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、小形狀因數(shù)多模手機(jī)。■(林)