大規模RF集成可減少手機線(xiàn)路板面積和功耗

如今的無(wú)線(xiàn)設備中，線(xiàn)路板上一半以上的元件都是模擬RF器件，因此要縮小線(xiàn)路板面積和功耗一個(gè)有效方法就是進(jìn)行更大規模RF集成，并向系統級芯片方向發(fā)展。本文介紹RF集成發(fā)展現狀，并對其中一些問(wèn)題提出應對方法和解決方案。
　　
　　幾年以前，蜂窩手機市場(chǎng)還是單頻和雙頻單模手機占主導地位，其使用的技術(shù)僅支持一個(gè)或兩個(gè)蜂窩頻段，在所有支持頻段中采用相同的調制方法、多路訪(fǎng)問(wèn)方案和協(xié)議。相比而言，今天的新一代蜂窩電話(huà)設計要復雜得多，能提供多頻段、多模式支持，具有藍牙個(gè)人區域網(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(kāi)始出現，此外像游戲、圖像、音頻和視頻等應用在手機中也已變成非常普遍。
　　
　　無(wú)線(xiàn)電話(huà)正在成為所謂的手持個(gè)人娛樂(lè )中心這樣一種復雜設備，其發(fā)展趨勢對設計人員不斷帶來(lái)更多挑戰。雖然相比于只有語(yǔ)音功能的手機而言，新一代手機在通信處理、應用處理、射頻接口數量以及集成存儲器容量等方面都有了大幅增長(cháng)，但用戶(hù)仍期盼手機具有更小體積、流線(xiàn)型外形和低價(jià)位，而且要有大的彩色顯示屏，能提供與傳統語(yǔ)音手機相似的待機和通話(huà)時(shí)間。保持現有的外形尺寸和功耗，卻要使功能呈指數倍增長(cháng)，同時(shí)還要維持總體系統成本不變，這些都給系統設計人員提出了大量的難題。
　　
　　顯然，問(wèn)題涉及整個(gè)系統設計的各個(gè)部分，以及所有無(wú)線(xiàn)通信和娛樂(lè )內容的供應商們。在減少線(xiàn)路板面積和功耗方面特別有效的一個(gè)領(lǐng)域是無(wú)線(xiàn)系統設計的RF部分，這是因為在今天典型的移動(dòng)電話(huà)中，線(xiàn)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了整個(gè)線(xiàn)路板面積的30?40%，增加諸如藍牙、GPS和WLAN之類(lèi)的射頻系統還會(huì )極大增加對空間的要求。
　　
　　解決方案是進(jìn)行更大規模的RF集成，并最后發(fā)展成為完全集成的系統級芯片。有些設計人員將模數轉換器放到天線(xiàn)中，使射頻功能所需總線(xiàn)路板空間為之減少，當半導體集成技術(shù)在單個(gè)器件中能集成更多功能時(shí)，分立器件數目及用來(lái)容納這些器件的線(xiàn)路板空間就都相應減少了。隨著(zhù)業(yè)界向系統級芯片集成發(fā)展，設計人員還將不斷發(fā)現新技術(shù)，以滿(mǎn)足小型無(wú)線(xiàn)設備中更高RF復雜性和延長(cháng)電池壽命這兩者之間的矛盾。
　　
　　RF集成發(fā)展現狀
　　
　　RF集成一個(gè)重要的發(fā)展出現在大約三年以前，當時(shí)RF技術(shù)和數字基帶調制解調器的發(fā)展使得在無(wú)線(xiàn)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(gè)電壓控制振蕩器(VCO)，已經(jīng)很好地應用了多年，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。在上世紀九十年代后期，一個(gè)典型的單頻段超外差RF子系統包括PA、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)、LDO、小信號RF和VCTCXO，需要大約200個(gè)分立器件；今天，我們能夠設計一個(gè)具有四頻段功能的直接變頻系統，集成了VCO、VCXO和PLL回路濾波器，而它的元件數卻少于50個(gè)。

　　
　　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節器、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。
　　
　　對于設計人員來(lái)講，先進(jìn)的集成有助于克服無(wú)線(xiàn)RF中一些大的難題，其中最基本的一個(gè)是收發(fā)器的DC電源及其調節。在通話(huà)時(shí)，隨著(zhù)溫度和時(shí)間變化，電池電壓會(huì )變化，此外，來(lái)自TX VCO和RX VCO電源的噪聲耦合也會(huì )影響整個(gè)系統的性能，因而設計人員面臨著(zhù)如何解決射頻線(xiàn)路板調節器和大多數相關(guān)無(wú)源元件的問(wèn)題。將這些器件集成在射頻收發(fā)器中意味著(zhù)唯一所需的外部元件就是簡(jiǎn)單的去耦電容，這種直接與電源相連的特性不僅簡(jiǎn)化了設計，也節省了線(xiàn)路板空間。
　　
　　RF設計人員面臨的另一個(gè)挑戰是VCO調諧范圍和鎖定時(shí)間。在所有模擬VCO設計中。因為常常需要對鎖定時(shí)間和調諧范圍進(jìn)行平衡，所以回路濾波器一般放在芯片外部。有時(shí)候，這可以在VCO調諧范圍的軟件控制中解決，然而這個(gè)方法對電話(huà)整體開(kāi)發(fā)提出了額外的資源要求。當數字調諧功能包括在VCO中且能提供自校準時(shí)，就可得到一個(gè)擴展的調諧范圍，回路濾波器元件就能放在芯片中。顯然，這一方案可使設計工程師簡(jiǎn)化他們的工作。
　　
　　為獲得GSM系統所需的發(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(gè)數字CMOS門(mén)組成，制作在PAM內一個(gè)獨立的芯片中，該元件會(huì )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制造商不必采購數字CMOS電路和將它們裝入PAM中，對于一個(gè)每月生產(chǎn)成千上萬(wàn)產(chǎn)品的OEM來(lái)講，去掉這個(gè)多余的元件將大大降低他們的成本。
　　
　　先進(jìn)集成能帶來(lái)實(shí)質(zhì)性節約的另一個(gè)領(lǐng)域是VCXO。在過(guò)去，要購買(mǎi)昂貴的VCTCXO模塊作為分立元件設計在射頻器件中，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)設計問(wèn)題，利用TRF6151僅需要一個(gè)低價(jià)位的晶體和變容二極管就能完成VCTCXO的功能。
　　
　　雖然有了這些集成和設計簡(jiǎn)化，RF設計工程師依然面臨著(zhù)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)設計中所用的電流越大，總體噪聲特性就越低。設計工程師必須判定接收器的總功率預算，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(shí)上正好相反。所以雖然能滿(mǎn)足GSM標準規范，設計人員也必須經(jīng)常問(wèn)自己，為達到某個(gè)靈敏度水平而在功耗上付出代價(jià)是否值得。這個(gè)問(wèn)題也說(shuō)明對設計工程師和IC制造商來(lái)講為什么在整個(gè)設計過(guò)程中密切配合非常必要，從設計工程師處得到的反饋能夠引導IC制造商在開(kāi)發(fā)未來(lái)RF產(chǎn)品時(shí)更好地為無(wú)線(xiàn)業(yè)界服務(wù)。

　向SoC發(fā)展
　　
　　降低無(wú)線(xiàn)系統的成本、功率和復雜性對于成功滿(mǎn)足系統集成度要求是非常重要的，然而，開(kāi)發(fā)移動(dòng)電話(huà)高集成度方案需要半導體業(yè)界克服復雜的技術(shù)障礙，這些障礙有些很少被設計人員所關(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(gè)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。
　　
　　手機射頻電子系統集成有幾種可行方案。首先，可以使用傳統技術(shù)在一個(gè)相對簡(jiǎn)單的雙極型或BiCMOS工藝中實(shí)現一個(gè)傳統射頻架構，最終的射頻芯片可以用多芯片封裝技術(shù)(系統級封裝技術(shù))與手機數字邏輯功能組裝在一起。雖然這一技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，如采用了熟悉的射頻設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(shí)現商用化。
　　
　　另外還有一種方法，手機電子系統集成也可用先進(jìn)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(gè)額外的費用，同時(shí)因為SiGe BiCMOS技術(shù)不能利用最先進(jìn)的光刻工藝，所以通常BiCMOS工藝落后于先進(jìn)的數字CMOS工藝。這些都會(huì )給增加手機特性并降低成本帶來(lái)巨大的壓力，它不可能用簡(jiǎn)單的晶圓工藝策略來(lái)解決，因為這一技術(shù)無(wú)法在所有時(shí)間保持系統邏輯或數字部分都是最低可能價(jià)位，所以在BiCMOS(或SiGe)中系統基帶功能射頻部分進(jìn)行單片集成不是一個(gè)很好的選擇。
　　
　　可以考慮的最后方案是在CMOS中進(jìn)行射頻集成，這一方法也面臨相當大的挑戰。雖然已經(jīng)有幾種CMOS蜂窩射頻設計，但這些設計很大程度是建立在模擬功能上。用CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現模擬混頻器、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(zhù)工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS額定電平越來(lái)越低，這使模擬設計更為困難。在開(kāi)發(fā)新工藝早期，器件建模和工藝成熟性一般都不能滿(mǎn)足模擬模塊設計所需的高精度參數建模要求，不過(guò)，最近開(kāi)發(fā)的數字CMOS射頻架構使單片CMOS集成變得更有吸引力。
　　
　　在制造商尋求低成本RF系統級芯片方案時(shí)，這些方案也驅動(dòng)著(zhù)半導體工業(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(shí)也令人感到驚訝?？朔@些困難將使無(wú)線(xiàn)手機設計向前跨越一大步，并為不久將來(lái)更大的集成設立了方向。
　　
　　本文結論
　　
　　在RF集成方面依然有許多難題?，F代手機的每一個(gè)射頻器件都面臨著(zhù)嚴格的性能要求，靈敏度要求大約為-106dBm(1毫瓦以下106dB)或更高，而相應的電平只有幾個(gè)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(chēng)為阻塞)應為60dB數量級；此外系統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(jìn)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。
　　
　　處理多頻率標準為整個(gè)SoC頻率帶來(lái)一個(gè)真正的挑戰，希望能夠減輕帶內信號傳輸產(chǎn)生的激勵，向數字射頻集成所包括的內容要比將多個(gè)射頻元件放在一個(gè)芯片中多得多，需要有一個(gè)硬件共享的新架構。
　　
　　對于系統設計人員來(lái)講，目前簡(jiǎn)單、高集成度、節省成本的半導體器件能夠大大降低設計復雜性，與此同時(shí)它們又能夠豐富無(wú)線(xiàn)器件的特性且保持系統尺寸、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(wú)線(xiàn)設計中的爭論，節約工程師們寶貴的時(shí)間。