最恰當的多模手機發(fā)射架構

在競爭激烈的GSM電話(huà)終端市場(chǎng)上，終端制造商開(kāi)始期待可以加快開(kāi)發(fā)速度和縮短開(kāi)發(fā)周期的解決方案。由于越來(lái)越多功能豐富的新型手機開(kāi)始集成百萬(wàn)像素數字相機、藍牙技術(shù)和多媒體功能，設計者開(kāi)始尋找尺寸更小和集成度更高的發(fā)射和接收RF模塊，它們能夠在提供卓越性能水平的同時(shí)占用更小的板空間。

為了能夠讓更多的設計師快速完成這些日益復雜的新型手機終端的設計與開(kāi)發(fā)，元器件解決方案供應商在如何去滿(mǎn)足一些存在固有矛盾的設計要求方面面臨著(zhù)挑戰。為了滿(mǎn)足這些市場(chǎng)需求，RF Micro Devices(RFMD)公司的設計人員開(kāi)發(fā)出了RF7115發(fā)射模塊(TxM)。

這種發(fā)射模塊使得GSM射頻前端向實(shí)現全面集成又前進(jìn)了一步。作為該應用市場(chǎng)的一家主要元件供應商，我們見(jiàn)證了分立式射頻前端解決方案的設計復雜性，這一復雜性常常導致GSM手機制造商無(wú)法順利地進(jìn)入量產(chǎn)階段。這一體驗促使我們開(kāi)發(fā)出了一種嵌入功率放大器(PA)裸片和匹配電路的模塊，并稱(chēng)之為功率放大器模塊(PAM)。在此基礎上，我們又進(jìn)一步在PAM中嵌入了集成的功率控制，它可以替代復雜且敏感的控制環(huán)路，這一環(huán)路的設計目的是使PA輸出能夠很好地轉換成GMSK突發(fā)模板(burst template)。

在GMSK模式，為了滿(mǎn)足ETSI規定的時(shí)序規范或限制，PA有突發(fā)時(shí)序要求。一個(gè)突發(fā)模板簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是TxM模塊控制信號的建議或實(shí)現時(shí)序，它用來(lái)確保在一個(gè)發(fā)射突發(fā)脈沖的上升和下降階段，所有的ETSI限制都能得到滿(mǎn)足。這一革命性技術(shù)進(jìn)步可把電話(huà)平臺的開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短1/4。

TxM的好處

除了尺寸減小和元件數量減少等顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)之外，同分立實(shí)現方案相比，TxM還在哪些方面確實(shí)給設計者帶來(lái)了好處呢?

降低Tx和Rx路徑上的插入損失

一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射模塊通過(guò)集成任意數目的開(kāi)關(guān)配置和內部架構來(lái)實(shí)現天線(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。常見(jiàn)的TxM模塊架構包含兩個(gè)Tx路徑開(kāi)關(guān)和3或4個(gè)Rx路徑開(kāi)關(guān)，并通過(guò)一個(gè)公共節點(diǎn)連接到天線(xiàn)。典型的配置采用SPXT或級聯(lián)設計。

盡管早期的開(kāi)關(guān)模塊絕大部分采用PIN二極管實(shí)現，但較新的設計都利用定制pHEMT開(kāi)關(guān)設計來(lái)實(shí)現類(lèi)似的或更好的性能。在各種開(kāi)關(guān)設計方案中，基于pHEMT的設計的一個(gè)切實(shí)好處是降低了通過(guò)開(kāi)關(guān)的插入損失(IL)。

通過(guò)對pHEMT開(kāi)關(guān)的引腳和諧波匹配濾波器進(jìn)行精心的設計，可以把在Tx信號路徑上的插入損失降到最小。通過(guò)盡可能地降低插入損失，PA輸出功率可以更高效地傳送到天線(xiàn)。這在TxM中是可以做到的，因為設計者對PA輸出匹配和對匹配/網(wǎng)格(filet)及pHEMT輸入的控制有充分的了解。與目前的PAM和ASM(天線(xiàn)開(kāi)關(guān)模塊)組合方案相比，這可給設計師帶來(lái)某種程度的靈活性。這是可能的，因為T(mén)xM設計師已經(jīng)不再被限制在50歐姆的輸出環(huán)境中。他可以選擇合適的阻抗來(lái)同放大器的輸出進(jìn)行匹配(典型值為2-4歐姆)，并把它直接同一個(gè)pHEMT開(kāi)關(guān)相匹配。這意味著(zhù)只使用了一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )，因而可減少損失(見(jiàn)圖1)。

插入損失之所以能減小，是因為你無(wú)需再執行將PA輸出端和ASM輸入端的阻抗轉換到50歐姆的任務(wù)。這可減少高達0.5dB的發(fā)射鏈損失，從而可為GSM模式節省150mA，為PCS/DCS模式節省90mA。

類(lèi)似地，接收路徑(Rx)內部匹配拓撲也得益于50歐姆轉換的消除，在TxM的Rx側可以得到同樣的好處。Rx插入損失的降低提高了Rx靈敏度。

改善諧波性能

隨著(zhù)上市時(shí)間的重要性不斷提高，設計復用已成為開(kāi)發(fā)者所面臨的一個(gè)共同課題，這導致了越來(lái)越多的手機開(kāi)發(fā)平臺的出現。我們已經(jīng)看到，這一基于平臺的開(kāi)發(fā)趨勢已越來(lái)越明顯，未來(lái)許多手機設計都將采用射頻收發(fā)器和PA+ASM的組合解決方案。但當把這個(gè)“知名”的平臺應用于不同形狀因子的設計時(shí)卻遇到了很多困難。尤其是，蛤殼、糖棒和滑蓋形手機形狀因子都造成了天線(xiàn)與射頻modem之間的不匹配和PCB性能的變化。因此，在一個(gè)形狀因子下工作良好的平臺與在另一個(gè)形狀因子下的表現可能有很大差別，這通常會(huì )造成整體性能的下降。在這些情況下，天線(xiàn)差別通常是肇事元兇。

射頻平臺設計師可以得益于擁有一個(gè)緊密控制的PA輸出、諧波濾波器和開(kāi)關(guān)接口。TxM向設計師提供了一個(gè)受控的環(huán)境，從而設計師可以?xún)?yōu)化從PA發(fā)出的諧波。這也使得該射頻設計變成了一個(gè)真正可以適應各種形狀因子的平臺，TxM所包含的性能可以通過(guò)由制造商制訂的電?規范得到保證。這一點(diǎn)對典型的PA+ASM平臺設計來(lái)說(shuō)是完全做不到的。

TxM是以解決大多數手機設計者面臨的一個(gè)設計困難而開(kāi)發(fā)的。而且，即便在手機設計師完成了一個(gè)魯棒設計之后，對精密匹配的任何修改都可能?chē)乐馗淖冏杩共⒂绊懺谔炀€(xiàn)上所測到的諧波水平。通過(guò)保持這一接口的完整性，TxM設計師有更大的機會(huì )在極限條件下，甚至在不匹配的條件下來(lái)抑制諧波。例如，對TxM設計來(lái)說(shuō)，通?？梢詫?shí)現在所有極限條件下以低于-35dBm的諧波水平達到4:1的VSWR(電壓駐波比)(見(jiàn)圖2)。這產(chǎn)生了一個(gè)非常魯棒的解決方案，而且可以在許多不同的形狀因子考慮因素下使用。

靈活的收發(fā)器信號路由

如前面所提到的，最新的TxM在設計中使用了pHEMT開(kāi)關(guān)。在天線(xiàn)開(kāi)關(guān)部分，使用pHEMT開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)源于可以把Rx端口設置成路由所要求的任何方式。pHEMT輸入頻率響應是寬帶的，事實(shí)上，它允許把任何端口指定為高波段或低波段。這使得可以獨立于任何特定的收發(fā)器來(lái)單獨使用GSM TxM。我們預測，這一點(diǎn)在ODM環(huán)境中特別有用，因為ODM通常會(huì )基于基帶的選擇保留2到3種不同的收發(fā)器配置，但對于PA，一般僅會(huì )從主要的批量供應商中選擇一家。

傳送WCDMA信號的潛力

對新興的多模應用特別方便的一個(gè)特性是，TxM模塊可以指定一個(gè)未使用的端口作為獨立的WCDMA Tx/Rx信號的通過(guò)端口。在當今這個(gè)向多模應用轉換的時(shí)刻，市場(chǎng)上經(jīng)常產(chǎn)生對利用獨立的WCDMA和GSM/GRPS射頻鏈路的快速捆綁式解決方案的需要。在一個(gè)GSM/GPRS TxM中利用一個(gè)未用端口來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制的能力消除了對一個(gè)獨立ASM和??持WCDMA射頻鏈匹配元件的需要。這一方案既可節省成本，又可減小尺寸，而這兩者對這個(gè)新興市場(chǎng)來(lái)說(shuō)都是非常重要的。

RFMD公司已經(jīng)在WCDMA頻率和功率水平上測試和表征了這種pHEMT開(kāi)關(guān)端口的線(xiàn)性度和互調功能。其結果表明，將Rx端口之一用作WCDMA通道是可行的。表征包括互調測量、插入損失、ACP降級、諧波生成和pHEMT開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的熱量。

TxM模塊的其它特性包括：易用性、內置8KV ESD保護電路、以及減少的外接元件數量。TxM模塊可同時(shí)提供改進(jìn)的性能和易用性，這兩者在手機設計中常常不能同時(shí)得到滿(mǎn)足。其中可在大多數商業(yè)TxM模塊中發(fā)現的“易用”特性之一是設在天線(xiàn)端口的集成型ESD保護。它包含一個(gè)用來(lái)抑制由于modem元件損壞而產(chǎn)生的任何高壓短時(shí)脈沖的板上感容電路。這是一個(gè)非常有用的功能，因為在Rx路徑上的大多數SAW濾波器對ESD暫態(tài)電壓的保護能力是非常令人懷疑的。此外，這些ESD濾波器完全符合IEC 61000-4-2的8KV接觸放電要求。

TxM模塊除允許設計師實(shí)現更高水平的性能之外，它所需要的外接元件數量也減少了，這一點(diǎn)也是非常重要的。作為未來(lái)發(fā)展趨勢的一部分，新一代的集成模塊繼續面臨著(zhù)減少實(shí)現射頻解決方案所需要的外部元件數量的挑戰。

TxM模塊也面臨著(zhù)同樣的挑戰，事實(shí)上，TxM模塊特別將這些集成度需求作為其存在的一個(gè)基本前提。TxM模塊不僅減少了外部元件的數量，而且還消除了對靈敏的內部元件匹配電路的需要。同相同功能的其它實(shí)現方案相比，TxM模塊可以幫助設計師減小總的版圖尺寸。典型的數字表明，與競爭性PA+ASM解決方案相比，可以減少30%到50%的版圖面積。

縮短電話(huà)平臺開(kāi)發(fā)時(shí)間

TxM模塊是一種非常魯棒的解決方案，這可直接歸因于使用了內部匹配電路。其真正的好處是可以降低開(kāi)發(fā)成本。此外，TxM解決方案將極大地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間。

在一個(gè)應用中實(shí)現一個(gè)TxM主要是一個(gè)驗證性能的問(wèn)題，而不是設計和微調靈敏RF電路的問(wèn)題，但對于傳統的PA+ASM解決方案來(lái)說(shuō)后者是一個(gè)主要問(wèn)題。電話(huà)平臺開(kāi)發(fā)時(shí)間的減少對手機的快速上市能力有重大影響。為了在這個(gè)極具競爭性的手機市場(chǎng)上占有一定的地位，上市時(shí)間已經(jīng)被視為衡量手機制造商能力的最高尺度。

真正的“防竄改”解決方案

當使用TxM來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)平臺時(shí)，我們還可以清楚地看到因TxM模塊的魯棒性和性能一致性所帶來(lái)的另外一個(gè)好處。由于TxM模塊的集成度非常高，因此當移植到各種其它形狀因子的平臺時(shí)，因交換元件而造成性能下降的機會(huì )很小。很穩定的參考設計有時(shí)不得不在現場(chǎng)進(jìn)行調整，有時(shí)這情況還很普遍，因為手機制造商有時(shí)會(huì )突然選用與最初打算不同的PA/ASM組合。

制造商的動(dòng)機通常很有道理，因為選用其它元件可能帶來(lái)吸引人的成本節省和供貨方面的好處。不足之處是常常需要付出更多的工程努力來(lái)修補一個(gè)本來(lái)已經(jīng)獲得FTA認證的系統。對參考設計供應商和PA供應商來(lái)說(shuō)，??持這么多制造變量可能是困難的和昂貴的，因為它可能代表著(zhù)你必須付出很多的隱性成本。因此，采用可防“竄改”的解決方案可以保持更多的利益，而TxM模塊是實(shí)現這一目標的一個(gè)新興的關(guān)鍵元件。

本文結論

作為全球最大的手機功率放大器供應商，RFMD公司將繼續同客戶(hù)一起優(yōu)化PA+ASM組合解決方案，并開(kāi)發(fā)出系統實(shí)現所需的所有細節。這個(gè)經(jīng)驗已經(jīng)證明，在縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、減小電路板版圖面積和減少供應鏈管理需要的同時(shí)，即使與最好和最優(yōu)的設計相比，TxM模塊仍然代表更高的總體性能。

此外，隨著(zhù)對多功能設備的需求不斷增長(cháng)，為了能夠在相同的形狀因子中容納更多的功能，手機正在要求更小的射頻解決方案。我們清楚地看到，要滿(mǎn)足這些多功能設備的集成要求，TxM模塊將變成不可缺少的基本器件。在理解了該器件所包含的所有這些好處之后，我們明確期望TxM模塊能夠成為我們在2005年發(fā)貨量的一個(gè)重要部分，并希望在2006年對這類(lèi)產(chǎn)品的需求會(huì )有大幅度提高。

通過(guò)RF3178的批量發(fā)貨，RFMD公司已經(jīng)在發(fā)射模塊市場(chǎng)上確立了我們的地位。該元件是我們的Polaris 2方案(一個(gè)基于EDGE的Polar調制方案)的一個(gè)關(guān)鍵元件。RF3178是作為我們的Polaris 2收發(fā)器的配套產(chǎn)品為實(shí)現Polar調制而設計的，具有尺寸小、整體性能高的特點(diǎn)。另外，RFMD公司很快將推出面向GSM/GPRS市場(chǎng)的派生產(chǎn)品RF7115。RF7115將以四波段和雙波段兩種款式供貨，專(zhuān)門(mén)面向GSM和GPRS這兩個(gè)大批量成熟市場(chǎng)。