應對單芯片手機設計挑戰

　　為獲得低成本的手機解決方案，過(guò)去已經(jīng)發(fā)展了幾種集成方法，包括集成外部器件、將混合信號構建單元與數字功能合并等，主要的目的就是減少外部元器件數量（分立芯片器件、電阻、電容、電感器件，以及外部調節器件等），從而減少需要處理的器件并最終降低生產(chǎn)成本。朝SoC的方向再前進(jìn)一步就是將數字（包括存儲器）部分、混合信號和射頻功能利用同一種工藝集成到單塊芯片上，或者將這些構建模塊組裝到一個(gè)封裝單元中。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但單芯片方法能夠提供最經(jīng)濟的解決方案，因為所需要的處理和封裝成本最少，并且有可能實(shí)現最優(yōu)測試理念。

　　英飛凌公司單芯片GSM/GPRS解決方案E-GOLDradio 在單個(gè)純CMOS裸片上集成了手機應用所需要的基本構建模塊，如基帶功能、內部存儲器（RAM和ROM）、混合信號和射頻功能。高度集成的這一完整GSM/GPRS系統可以容納在99 mm² LF2BGA-233倒裝片封裝中。其MODEM功能支持高達12級的多時(shí)隙GPRS傳輸。

　　用標準CMOS工藝達到最高集成度

　　為達到最高的集成度，需要考慮不同的晶圓工藝技術(shù)。BiCMOS, SOI 或SiGe工藝都可以使用，但最適合的還是標準CMOS技術(shù)，因為CMOS技術(shù)被廣泛用于幾乎所有邏輯元器件的生產(chǎn)。為了獲得成本優(yōu)化的解決方案，必須對這些不同技術(shù)（如CMOS和BiCMOS）之間進(jìn)行仔細的分析和折衷。例如，與相應的BiCMOS工藝比較，由于需要的掩膜和工藝步驟較少，典型的0.25mm CMOS工藝成本約降低30% ~ 50%。SOI 和 SiGe工藝也是可能的選擇，但相應的原材料比較昂貴，而且工藝復雜性也更高。這些都與經(jīng)濟的CMOS技術(shù)形成鮮明的對比。

　　當然，最適合的工藝技術(shù)在很大程度上也與芯片架構和芯片劃分有關(guān)。顯然，對于真正意義上的單片集成來(lái)說(shuō)，射頻宏單元必須采用與基帶部分同樣的技術(shù)實(shí)現。因此，所選擇的工藝技術(shù)參數必須能夠同時(shí)滿(mǎn)足兩者的要求。其中一個(gè)方面就是相關(guān)工藝所能夠達到的速度，或者更準確地說(shuō)，是特定工藝技術(shù)的躍遷頻率（ft）。在選擇最適合工藝技術(shù)的時(shí)候，這一參數具有關(guān)鍵作用。作為一個(gè)基本原則，所選擇工藝技術(shù)的ft必須是不同構建模塊中所處理的最高信號頻率的10倍。

　　但是，如果數字設計和射頻設計采用同樣的工藝技術(shù)，那么必須考慮到這一技術(shù)并非是針對"模擬"要求而優(yōu)化的。對于典型的射頻設計構建模塊，晶體管、電阻、電容和電感器的射頻和噪聲性能對于整個(gè)系統的行為和性能有很大的影響。因此通常必須特別考慮到CMOS制造工藝的變化，特別是電路缺陷和CMOS的特有缺點(diǎn)（如1/f噪聲）對接收器和發(fā)射器行為的影響。為了滿(mǎn)足GSM/GPRS射頻參數所提出的極為苛刻的系統技術(shù)要求，就要采用特殊的設計方法，必須能夠在較寬的額定溫度范圍內達到并保持這些性能參數。一方面要考慮到供電電壓變化對性能參數的影響，另一方面也必須考慮到CMOS工藝不穩定所帶來(lái)的影響。

　　選擇適當的接收器和發(fā)射器結構

　　E-GOLDradio發(fā)射器部分主要包括一個(gè)用于發(fā)射調制的sigma-delta PLL和一個(gè)用于接收的直接轉換器。整個(gè)結構的選擇基于SMARTi-SD2。這款獨立射頻收發(fā)器已經(jīng)通過(guò)大批量生產(chǎn)變得很成熟，保證了整個(gè)系統能夠以低成本實(shí)現，同時(shí)還保證了系統的耐用性如靈敏度、寄生發(fā)射性能、輸出功率等。

　　采用直接轉換結構的主要優(yōu)點(diǎn)之一是消除了在特定頻率偏移處存儲的非期望邊帶信號。就交叉耦合效應來(lái)說(shuō)，此類(lèi)不需要的邊帶信號會(huì )與所有其它可能的寄生信號相混合，并最終導致整個(gè)系統的性能大幅度下降。理論上，外差結構的唯一優(yōu)點(diǎn)就是減輕調幅干擾以及對于閃爍噪聲不那么敏感。

　　為了減輕從功率放大器（PA）到壓控振蕩器（VCO）的串擾，并最終降低系統復雜性，發(fā)射路徑基于一個(gè)受調制PLL而建立。發(fā)射結構可以選擇采用Sigma Delta調制方法，其在載波頻率字中加入了前置補償調制，能夠為CMOS典型擴散問(wèn)題實(shí)現最好的折衷。由于此類(lèi)PLL需要大量的校準和數字過(guò)程，因此CMOS工藝具有相應的優(yōu)勢，能夠在極小的裸片尺寸上實(shí)現這一邏輯。另外，在反饋環(huán)路設計中需要特別的考慮，因為系統需要極好的噪聲抑制能力， 所孕枰??幸恍┬Ｗ祭純刂蘋(píng)仿反?鶯???

　　同時(shí)，在GSM系統中需要達到的一個(gè)主要性能參數是接收器頻帶的噪聲要求，在低頻段20 MHz偏移時(shí)應達到-162dBc/Hz的性能。此外，要符合接收器的靈敏度和線(xiàn)性度要求，也需要極好的噪聲指標。顯然，這些參數都與前端濾波器密切相關(guān)。

　　閃爍噪聲性能是接收器鏈路上的一個(gè)關(guān)鍵參數，因為這一參數直接與總體噪聲數值的好壞有關(guān)。因此為了獲得優(yōu)異的總體系統性能，對解調器以及整個(gè)本地振蕩器鏈進(jìn)行優(yōu)化設計非常關(guān)鍵。設計必須保證本地振蕩器開(kāi)關(guān)信號工作在最佳轉換速率，并使總功耗盡可能低。


　　將交叉耦合的影響減至最小

　　為了達到E-GOLDradio所實(shí)現的性能，需要采用總體系統方法。這意味著(zhù)需要考慮引起不同構建模塊之間交叉耦合和相互影響的所有可能機制。需要仔細考慮電源設計才能保證數字部分與射頻模塊間的影響達到最小。當然，封裝以及布局對于芯片性能也有很大影響，因此需要與IC布局（如功能模塊的排列）工作密切合作，才能夠獲得最佳的總體性能。此外，還必須考慮PCB的設計。

　　在芯片一級，必須特別注意集成在同一裸片上的射頻和數字功能之間的交叉耦合影響。造成交叉耦合的一個(gè)根源是因為CMOS工藝本身采用了低電阻硅襯底。當然，盡管SOI對于交叉耦合效應不那么敏感，但它比CMOS工藝昂貴得多。所謂的保護環(huán)（Guard-ring）方法是提高隔離度的另一種選擇。深槽技術(shù)也是一種可行的選擇，但代價(jià)是工藝復雜性增加。

　　串擾的其它來(lái)源包括電源耦合、鍵合線(xiàn)等帶來(lái)的感性耦合。減少耦合的對策包括良好接地、緩沖、引腳布局等。對付耦合效應的另一種方法是仔細地進(jìn)行總體頻率規劃。由于電路實(shí)現時(shí)的不完美以及交叉耦合效應的存在，幾個(gè)高次諧波頻率成份會(huì )作為寄生頻率成份出現在所需要的單頻載波成份旁邊。這些頻率成份在發(fā)射頻譜中會(huì )非常明顯，從而影響到截止頻率。利用智能頻率轉換方法以及特殊的設計技巧等方法，可以減輕這些不需要的頻率分量。