E-GOLDradio CMOS 單芯片解決方案成就低成本 GSM 系統

e-goldradio是英飛凌科技公司在利用標準cmos技術(shù)實(shí)現數字、混合信號和射頻功能的一種gsm單芯片集成方案。e-goldradio 由基帶控制功能模塊、四頻射頻收發(fā)器和gsm 系統所需的混合信號構件等組成，通過(guò)減少電容器和分立式元件等外接組件，將材料成本降低了約30%。該芯片的高集成性和超小尺寸，使翻蓋手機或滑蓋手機的設計能實(shí)現更大的靈活性。

系統概述

e-goldradio芯片解決方案將e-goldlite手機基帶芯片和smarti-sd2射頻收發(fā)器集成在單個(gè)芯片上，這兩種部件屬于成熟技術(shù)，并在早些時(shí)候已被投入量產(chǎn)。這種解決方案在單個(gè)cmos芯片上包含所有必需的基帶功能模塊、內存（ram和rom）、混合信號和射頻功能模塊。由于采用了6層印刷電路板，并使用較少的中間組件，該芯片可以最大限度地降低系統成本。由于高度集成，整個(gè)gsm系統可以采用 9mm 9mm的lf2bga-233 倒裝芯片封裝。這種調制解調器功能模塊最多可配置12個(gè)端口。e-goldradio單芯片解決方案的系統圖如圖1所示。

e-goldradio 的主要特性如下：

射頻子系統：

能耗更低的四基帶直接轉換接收器

包括發(fā)射器的全數字射頻合成器

完全集成的數字控制晶體振蕩器

基帶子系統：

c166s- c

104mhz teaklite 數字信號處理器核心

靈活的結構，帶有多種接口，如鍵盤(pán)、ssc、i2s、i2c、具有irda 的asc 和用于追蹤的asc a51/2/3和 gea-1/2/3 密碼單元

用于sim-lock的設備id特性豐富的固件掩模，帶有mp3 解碼器、高保真和弦鈴和tty語(yǔ)音編解碼器： hr、fr、efr和amrsaic

cmos 單芯片解決方案

在過(guò)去，人們?yōu)閷?shí)現“單芯片系統”解決方案在集成方面所作的努力開(kāi)始于集成電路，這方面的進(jìn)展主要集中在將外部組件進(jìn)行集成或將低頻混合信號功能模塊同數字式電路系統集成起來(lái)。而現在，人們將以前利用不同的工藝，如cmos 和 bicmos，所實(shí)現的構件集成在單個(gè)芯片上，通過(guò)省去外接組件、降低封裝成本、開(kāi)發(fā)最佳的總體芯片結構、采用先進(jìn)的測試概念等方法來(lái)進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本。

作為cmos 單芯片解決方案的替代方案，這種單芯片解決方案將基帶、內存（ram 和rom）、混合信號和射頻功能模塊集成到一個(gè)芯片上， 其他制造系統封裝（sip） 的方法，如多芯片模塊（mcm）、堆疊式集成電路（見(jiàn)圖2）等，都是人們熟知的。每一種系統封裝概念在制造成本、安裝難度、測試概念（已知良好的晶粒）、交叉耦合表現等方面都有其特定的優(yōu)缺點(diǎn)。

除了上述可以實(shí)現集成式基帶和收發(fā)器功能的方法外，可以在模塊設計中進(jìn)一步提高集成程度， 將其作為集成載體用于芯片集和更多功能模塊（如前端濾波器、功率放大器等）。

技術(shù)考慮

為了滿(mǎn)足最低成本、最小尺寸和最低的電流消耗，利用高集成度的單芯片解決方案是最佳的方法。這樣做的目的是盡可能地降低分立式硅元件、r（電阻）、l（電感）、c（電容）、外接調整元件等外接組件的成本。為了實(shí)現最高程度的集成，可以考慮使用不同的晶片工藝?？梢允褂胋icmos、soi（絕緣體上硅）或sige 工藝，然而成本最合算的當屬標準 cmos工藝，該工藝已用于其他邏輯元件。 例如，由于需要更少的掩模和工藝步驟，典型的0.25 m cmos工藝的成本大約比同等的bicmos工藝的成本低30%～50%。由于需要大量使用高容量的數字產(chǎn)品，soi 和 sige工藝需要采用較貴的原材料及更高的工藝難度。由于性能要求，只有那些能夠從sige 或bicmos 工藝中獲益的構件才能成為射頻和混合信號構件。

要通過(guò)技術(shù)選擇實(shí)現單芯片解決方案，必須考慮到不同技術(shù)之間的技術(shù)交換。很明顯，要實(shí)現單芯片集成， rf 組件必須采用和基帶部分相同的工藝。因此，理論上的速度，或者更確切地說(shuō)，該技術(shù)的轉移頻率（ft）在這些考慮中占主要地位。作為一條經(jīng)驗法則，該技術(shù)的轉移頻率必須是在不同構件中處理的最高信號頻率的10倍。由于在過(guò)去的幾年中在cmos轉移頻率方面所取得的巨大進(jìn)步（見(jiàn)圖3），cmos單芯片解決方案可以成為無(wú)線(xiàn)應用標準。與此同時(shí)，gsm 單芯片也是英飛凌所取得的最新進(jìn)展。

e-goldradio gsm四頻帶單芯片系統使用130nm的bulk cmos工藝制造。這種工藝可以實(shí)現高達6 個(gè)金屬層（銅）的設計，并針對高性能模擬構件提供一個(gè)潛在的mimcap設備。其氧化物的厚度僅為2.8nm。此外，這種工藝還可以在提供適用的i/o 電壓方面（如用于專(zhuān)門(mén)的模擬和接口電路的2.5v i/o電壓）有很大的靈活性。e-goldradio芯片所采用的0.13 m工藝可以實(shí)現100ghz的轉移頻率和約 60ghz的最高頻率，并在頻率為4ghz時(shí)，將集成線(xiàn)圈的質(zhì)量提高約8倍，可以通過(guò)擴散或多晶硅方法實(shí)現電阻器。從技術(shù)角度而言，這些參數為所有現存的手機標準提供了出色的射頻性能， 并提供了足夠的空間以確保實(shí)現單芯片產(chǎn)品的穩定量產(chǎn)。

將射頻芯片和基帶芯片集成在單個(gè)芯片上需要面臨的一個(gè)主要挑戰是：避免和克服該集成電路上射頻和數字部分之間可能出現的串擾。盡管需要滿(mǎn)足這些要求，但仍然不需要采取特殊的工藝來(lái)提高在此所述的e-goldradio的防串擾性能。相反，它是通過(guò)復雜的系統結構（包括集成電路、封裝、印刷電路板等）、成熟的設計方法和經(jīng)過(guò)認真挑選的線(xiàn)路圖來(lái)實(shí)現的。

因為射頻部分在整個(gè)芯片上只占很小的面積，利用該工藝制造整個(gè)芯片可以極大地降低間接制造成本。射頻部分在整個(gè)芯片上所占的面積取決于該芯片針對哪種應用，如gsm、藍牙、wlan、uwb等。被集成的內存數量和用于微控制器和數字信號處理功能而使用的核心占據了芯片的大部分剩余面積。圖4顯示了藍牙單芯片分區的一個(gè)典型例子，包括數字/內存、混合信號和射頻部分，它與gsm單芯片解決方案的分區類(lèi)似。

cmos 構件和電路設計

合適的技術(shù)和成熟的電路設計使一些構件能夠滿(mǎn)足射頻性能、電流消耗等特定參數方面的高要求。尤其是對于gsm應用來(lái)說(shuō)，必須在較大的溫度和電壓范圍內達到這些性能要求，同時(shí)，還必須考慮cmos工藝中出現的工藝偏差。

cmos技術(shù)可以為模擬電路設計帶來(lái)許多益處，但與性能高許多的bicmos電路相比，還需要在設計方面采取一些非常細致的措施，以便能夠滿(mǎn)足gsm射頻參數方面非常嚴格的系統要求。

利用標準cmos工藝實(shí)現射頻模塊的能力，在將數字部分、混合信號和射頻部分集成于同一個(gè)芯片方面獲得巨大進(jìn)展。如果在射頻部分設計中采用了數字部分所采用的相同技術(shù)，必須考慮到該技術(shù)沒(méi)有針對模擬性能進(jìn)行優(yōu)化。在射頻部分設計中還必須考慮晶體管、電阻器、電容器和電感器在射頻和噪音方面的性能。此外，同在獨立式設計中所做的一樣，還需要特別注意工藝方面的偏差，尤其需要注意由于電路損壞和其他cmos缺點(diǎn)（如1/f噪聲）對接收器和發(fā)射器造成的影響。

如果在同一個(gè)芯片上集成射頻和數字功能，需要特別注意交叉耦合效果。交叉耦合的來(lái)源之一可能是cmos工藝中的低電阻硅襯底。采用防護環(huán)是一種可以提高隔離效果的方法。還可以使用深槽，但這會(huì )導致技術(shù)復雜性的提高。此外，應該通過(guò)對不同的功能模塊進(jìn)行合理的放置來(lái)實(shí)現關(guān)鍵模塊之間最大程度的隔離。由于電源的耦合以及接合線(xiàn)感應而導致的耦合等，可能會(huì )出現更多的串擾。這些串擾可能會(huì )受到接地、緩沖和針腳放置的影響。

接收器和發(fā)射器系統結構選擇

進(jìn)行結構選擇是為了確保實(shí)現低成本應用，同時(shí)保證更牢靠、更高的性能。e-goldradio芯片的射頻部分（見(jiàn)圖5）由用于發(fā)射調制的sigma-delta鎖相環(huán)電路，和一個(gè)用于接收的直接轉換接收器組成。所選定的整體設計基于smarti-sd2，為一種獨立的射頻收發(fā)器。這種收發(fā)器采用成熟的設計，目前已開(kāi)始量產(chǎn)。直接轉換結構的主要好處是在特定頻率偏移時(shí)不會(huì )出現不必要的邊帶?？紤]到交叉耦合，這些不必要的邊帶可能會(huì )同其他存在的雜散混合，并可能會(huì )導致這個(gè)系統中出現更多的問(wèn)題。外差結構的唯一好處是可以降低對調幅干擾信號造成的影響，并減少對閃爍噪聲的敏感度。

對于發(fā)射路徑來(lái)說(shuō)，由于可以幫助緩解從pa至vco的關(guān)鍵串擾，經(jīng)過(guò)調制的鎖相環(huán)電路方法可以幫助降低系統的復雜程度，這是因為兩者都在略微不同的相位上運行。必須特別注意環(huán)路設計，因為系統要求非常好的噪聲抑制（sigma delta 噪聲），尤其是在400 khz的偏移頻率時(shí)（見(jiàn)圖6）。因此，必須進(jìn)行一些調整來(lái)控制環(huán)路傳遞函數。

在gsm系統中需要實(shí)現的主要性能參數是接收器頻帶中的噪聲要求，在其低頻帶頻率偏移為20mhz 時(shí)，需要達到 162dbc/hz。此外，要達到接收器的敏感度和非線(xiàn)性要求，還需要有非常好的噪聲性能。很明顯，這些參數在很大程度上依賴(lài)于所采用的前端濾波器 。

在發(fā)射機結構中選用了sigma delta 調制方法，因為它是克服典型的cmos擴頻問(wèn)題的最好方法。在載波頻率處理過(guò)程中還添加了預失真調制。由于這一種鎖相環(huán)電路要求大量的調整和數字過(guò)程，cmos工藝可以在很小的芯片上采用這種邏輯電路帶來(lái)很多益處。 ∑- -鎖相環(huán)電路的結構見(jiàn)圖7(a)。vco的運行頻率是高頻帶的兩倍，是低頻帶的4倍。 vco的示意圖見(jiàn)圖7 (b)。vco 的vco增益為 60 mhz，誤差 10%，頻率范圍為1300mhz。

在頻率偏移為20mhz時(shí)，鎖相環(huán)電路的噪聲性能要優(yōu)于 164.5dbc/hz，留下了足夠的余量以滿(mǎn)足gsm規范。在高頻帶和低頻帶時(shí)的輸出功率總是大于2dbm(必須考慮到電路板損耗)，見(jiàn)圖8。

接收器的關(guān)鍵參數是接收解調器的閃爍噪聲性能。由于閃爍噪聲會(huì )直接導致整體噪聲性能的降低，因此需要有非常好的解調器和完整的lo 鏈設計。必須實(shí)現lo轉換信號的最佳轉換速度和較低的整體功耗。e-goldradio芯片在所有頻帶實(shí)現了遠遠超過(guò)3 db的噪聲性能。借助集成電路前面的2:1變壓器和平衡-不平衡變壓器可以很容易地進(jìn)行匹配。對于在這種方法中使用的直接轉換接收器來(lái)說(shuō)，要實(shí)現能夠經(jīng)受調幅可調的干擾信號的堅固系統，如gsm技術(shù)規范中所規定的干擾信號，除了要求閃爍噪聲具有非常低的轉角頻率外，還需要有非常好的輸入ip2 性能。在這一點(diǎn)上，整個(gè)系統可以表現出足夠好的性能以滿(mǎn)足系統要求，并足夠結實(shí)，可以經(jīng)受實(shí)際應用的考驗。

交叉耦合

對于單芯片系統方法來(lái)說(shuō)，僅僅關(guān)注構件是遠遠不夠的。這一點(diǎn)非常明顯，因為已經(jīng)有了很多解決方案，這些解決方案在使用cmos制造可以完成gsm標準要求的收發(fā)器方面表現出了極大的靈活性。主要挑戰是構建整個(gè)系統，并同時(shí)考慮到因為集成而造成的所有影響。這種整體系統方法意味著(zhù)有必要考慮到所有潛在的交叉耦合機制和被集成的構件之間的其他相互影響。這些影響必須在集成電路、封裝和電路板設計中加以考慮。 應付耦合效應的方法之一是進(jìn)行整體頻率規劃。一般而言，對于接收過(guò)程中的向下混頻或發(fā)送過(guò)程中的頻率調幅來(lái)說(shuō)，會(huì )使用直接來(lái)自鎖相環(huán)電路的中心頻率或利用變頻器對鎖相環(huán)電路的輸出頻率進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過(guò)頻率劃分、增大或混合來(lái)獲得其他頻率。通常情況下，由于電路設計中的不足和耦合效應，會(huì )出現若干更高的諧波頻率和復合失真，來(lái)代替唯一被需要的載波頻率。這些額外的頻率會(huì )出現在輸出頻譜中，作為寄生頻率。 除了在其他輸出頻譜中出現這些寄生頻率外，這些頻率還會(huì )影響構件的性能。有幾種措施，如利用巧妙的變頻器概念和應用特別的設計，可以被用來(lái)減少這些不必要的譜分量。從系統結構的角度而言，可以通過(guò)仔細的頻率規劃，如前文所述的更高的諧波頻率布局或復合失真，來(lái)減少交叉耦合。此外，還必須選擇模擬和數字信號處理模塊之間的最佳分區。減少模擬濾波器的數量（這需要有標準低電容強度的線(xiàn)性電容器）和增加數字部分的比重是最大限度挖掘技術(shù)潛力的最好方法。通過(guò)將數字核心中使用的技術(shù)用于射頻部分，可以充分利用數字信號處理的力量來(lái)實(shí)現比完全模擬結構所能實(shí)現的更加先進(jìn)的接收器和發(fā)射器結構。

為了在射頻部分和數字部分之間實(shí)現最佳的去耦作用，一種非常適合的電源概念被引入到設計當中。此外， bga封裝（見(jiàn)圖9）的設計對芯片性能的影響也很大。因此，需要將這種封裝設計同集成電路設計（如各個(gè)功能模塊的放置）進(jìn)行綜合考慮，來(lái)實(shí)現最佳的整體性能。

gsm 系統

作為一種集成了基帶和收發(fā)器功能的芯片，e-goldradio 是ulc平臺的一部分，該平臺針對2g手機，使用戶(hù)可以制造集成化程度和綜合程度最高的手機設備。除了gsm 調制解調器功能模塊（包括集成的基帶和射頻收發(fā)器、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)和功率放大器）外，該平臺還包括電源管理、內存等部分，使用戶(hù)能夠在最短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)出極具競爭力的手機。

由于e-goldradio芯片實(shí)現了高度集成，可以在最小的印刷電路板（不超過(guò)6 cm2，見(jiàn)圖10）上組裝所有的調制解調器功能。外接元件的數量在70個(gè)以?xún)?，而無(wú)需增加任何針對客戶(hù)的元件?？梢岳萌娴墓δ芗癁檫@種完整的調制解調器功能設計出先進(jìn)的ebom 。