無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中的模擬技術(shù)發(fā)展趨勢
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每個(gè)人都希望在各方面能獲得更多實(shí)惠：體積更小、功能更多、用電更少、封裝更好、成本更低，等等。特性越豐富，自然就越好，為了滿(mǎn)足這一要求，今天的離散解決方案就是明天的集成解決方案。這就意味著(zhù)更小、更省電、成本更低、可靠性更高這些因素將推動(dòng)市場(chǎng)的發(fā)展。集成與創(chuàng )新是制造商獲得市場(chǎng)成功所必須實(shí)現的關(guān)鍵目標。
目前，移動(dòng)計算與通信設備很普通。數字電子技術(shù)的發(fā)展正是支持上述發(fā)展的驅動(dòng)力，不過(guò)模擬電子技術(shù)發(fā)展也同樣重要，二者缺一不可。
數字 以 2 為基數，也就是說(shuō)信號不是一種狀態(tài)就是另一種狀態(tài)，不是開(kāi)就是關(guān)，不是真就是假，不是1就是0，以此類(lèi)推。
模擬信號在各種狀態(tài)中連續工作。模擬信號是世間萬(wàn)物工作的方式，也是人類(lèi)感官感知世界的方式。因此，要處理現實(shí)世界的光與聲等信號，就需要模擬信號處理。
在蜂窩基站中，數字電子技術(shù)執行許多復雜的功能，通常在軟件與固件控制下工作。而收發(fā)信號則需要模擬電子技術(shù)。數據轉換器用于將信號從一個(gè)領(lǐng)域轉換到另一個(gè)領(lǐng)域，即從數字轉換為模擬并從模擬轉換回數字。圖 1 顯示了發(fā)送 (Tx) 與接收 (Rx) 架構以及目前常用的相關(guān)半導體工藝。
圖 1--基站收發(fā)架構樣例
發(fā)送側架構的基本功能是通過(guò)在 DSP（數字信號處理器）或 ASIC（專(zhuān)用集成電路）中運行程序生成數字域信號，隨后信號由被稱(chēng)作 DUC（數字上變頻器）的專(zhuān)用數字電子設備進(jìn)一步處理，再通過(guò) DAC（數模轉換器）轉換為模擬信號，進(jìn)行混合、過(guò)濾與放大，并通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送。
接收側的過(guò)程剛好相反。天線(xiàn)接收的模擬信號通過(guò)模擬電子設備放大、混合并過(guò)濾，再通過(guò) ADC（模數轉換器）轉換為數字。一旦成為數字格式，則信號首先由被稱(chēng)為 DDC（數字下變頻器）的專(zhuān)用電子設備處理，然后再由 ASIC 或 DSP 處理。許多蜂窩基站制造商都力圖增強系統性能并降低尺寸與成本。有兩種方法實(shí)現上述目標，一是功率放大器（PA）的線(xiàn)性化，二是電子設備的集成，近期就將朝這兩個(gè)方向發(fā)展。
手機（手持終端）已成功地集成了收發(fā)功能。這也是基站設計的目標，不過(guò)基站所需的性能水平要高得多，因此現在要實(shí)現目標還很困難。
PA 線(xiàn)性化
為了滿(mǎn)足頻帶外傳輸規范要求，PA（功率放大器）在較高的 A 類(lèi)上工作，效率低于 10%。這需要大型器件以及大量電能。為了優(yōu)化 PA 的尺寸與效率，我們正在開(kāi)發(fā)線(xiàn)性化技術(shù)。最簡(jiǎn)單的 PA 線(xiàn)性化方法之一就是降低波峰因數。降低波峰因數壓縮了信號峰值并降低線(xiàn)性操作所需的平均功率。它也向信號添加噪聲，這樣所有可用的波峰因數降低約為 3dB，并仍可滿(mǎn)足 BER（位誤差率）的 EVM（誤差向量值）規范。不過(guò)，3dB 還是 3dB。
此外，PA 線(xiàn)性化技術(shù)更大的突破是可使信號預失真。預失真是 PA 線(xiàn)性化的法寶，有望使 PA 效率優(yōu)于 25%。不過(guò)這也非常復雜，并要求了解 PA 失真特性--而該特性的變化方式非常復雜。該方法的基本思路是使 PA 預失真，這樣當傳輸信號經(jīng)過(guò)PA 時(shí)就不會(huì )失真，并滿(mǎn)足傳輸屏蔽 (mask) 的要求。挑戰在于 PA 的失真（即非線(xiàn)性）特性會(huì )隨時(shí)間、溫度以及偏壓 (biasing) 的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，盡管能為一個(gè)器件確定特性并設計正確的預失真算法，但要對每個(gè)器件都進(jìn)行上述工作在經(jīng)濟上則是不可行的。為了解決上述偏差，我們須使用反饋機制，對輸出信號進(jìn)行采樣，并用以校正預失真算法。
集成：常見(jiàn)功能與常見(jiàn)技術(shù)
蜂窩基站的另一發(fā)展趨勢符合人們對電子技術(shù)的期待，也就是集成更多功能。集成的目的在于讓功能模塊變得更小，降低功耗，減少成本并提高可靠性。
集成通常采取的第一步就是將多個(gè)部件放在一個(gè)封裝中。因此，我們的分集接收機采用一個(gè)雙功能部件，而不是采用兩個(gè) ADC。另一種方法就是集成使用相同工藝技術(shù)的功能。因此，放大器與混頻器可以集成在一起。
架構發(fā)展是減少組件數量并提高性能的另一種方法。其實(shí)例之一就是使用正交調制器與解調器。顯示了包括 PA 線(xiàn)性化集成度更高的發(fā)送器。在該例中，波峰因數降低技術(shù)(CFR) 與數字預失真 (DPD) 都借助 DSP 或微處理器 (μC) 控制集成到單芯片中。為了實(shí)現分集，我們使用兩條發(fā)送路徑，并在一個(gè)部件中集成了多個(gè) DUC?？梢钥闯?，正交調制需要兩個(gè)雙 DAC，而放大器也組合到調制器中。發(fā)送信號的采樣在 PA 進(jìn)行，并像上面介紹的那樣反饋用于線(xiàn)性化目的。這基本上是一個(gè)接收路徑，帶有集成放大器與混頻級，一個(gè)封裝中有兩個(gè) ADC。
圖 2--帶有 PA 線(xiàn)性化的集成發(fā)送器
圖 3 給出了帶有分集接收機集成度更高的接收機。每個(gè)信道都集成了 LNA（低噪聲放大器），帶有正交解調器、濾波功能、可變增益以及雙 ADC。通過(guò)使用正交解調，可用更簡(jiǎn)單的 Nyquist 濾波器及抽選濾波器替代了 DDC 功能。
圖 3--集成的接收機
集成：數字與模擬
真正的挑戰來(lái)自在單芯片上混合數字與模擬功能。高頻數字邏輯會(huì )產(chǎn)生噪聲，噪聲通過(guò)電源、其他共用連接以及輻射狀的 (radiated) 路徑傳導。噪聲在模擬電路中至關(guān)重要，因為它決定著(zhù)信噪比(SNR)，而信噪比則是模擬系統中動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵品質(zhì)因素。高性能數字意味著(zhù)邏輯速度快，高性能模擬意味著(zhù)動(dòng)態(tài)范圍高，將兩者放置在同一 PCB（印制電路板）上需要很高的工程設計技巧，在芯片級上進(jìn)行集成會(huì )更困難。
盡管先進(jìn)的模擬電壓最近成功地從 12V 下降到 5V 與 3.3V，不過(guò)他們很難再降低，達到數字內核電壓目前的水平。這是由于噪聲在工作電壓下降時(shí)不下降，因此模擬工作電壓必須保持在足夠的高度才能提供良好的 SNR。較低的電壓不足以提供高動(dòng)態(tài)范圍模擬信號所需的性能空間。
最先進(jìn)的數字工藝不包括高性能模擬組件。此外，最先進(jìn)的數字工藝與最先進(jìn)的模擬工藝之間在工藝特性尺寸上有很大差距。例如，德州儀器 (TI) 剛投產(chǎn)的最新型 DSP 采用了 C027 90nm 制造工藝，而 TI 最新高性能模擬工藝 HPA07 與 BiCom-III 則基于 350nm 的 CMOS 工藝。
模擬工藝的起點(diǎn)是穩定的數字工藝。不管數字工藝晶體管提供什么線(xiàn)性功能，都作為片上模擬功能。即使如此，在工藝早期階段，我們的重點(diǎn)仍是數字；而模擬功能只限于那些不需要額外工藝步驟或修改的項目。一旦工藝成熟并成功制造最新系列的高速邏輯產(chǎn)品，則數字工藝開(kāi)發(fā)人員接下來(lái)就會(huì )開(kāi)始下一工藝節點(diǎn)的工作，模擬組件設計人員就會(huì )努力采用該工藝推出更高的模擬功能。開(kāi)發(fā)與改進(jìn)模擬組件需要時(shí)間。高性能模擬工藝推出的時(shí)間通常比基本數字工藝的投產(chǎn)要晚幾年。
TI 的 HPA07 與 BiCom-III 先進(jìn)模擬工藝建立在 350nm CMOS 工藝基礎上，該工藝最初開(kāi)發(fā)用于數字組件。因此，二者都有著(zhù)廣泛的數字庫?；?/span> CMOS 工藝的電源要求與速度使其目前不適用于領(lǐng)先的 DSP 與 ASIC。同時(shí)，工藝的成熟也使模擬組件設計人員能夠推出高度專(zhuān)業(yè)化的工藝，可滿(mǎn)足各種不同終端設備應用的不同產(chǎn)品需要。
HPA07
HPA07 精確模擬 CMOS 工藝為通信以及其他系統的低噪聲而設計，在上述應用中，模擬與高速數據功能必須共存，并須盡可能減小信號干擾。該工藝有助于模擬集成，實(shí)現了良好的邏輯門(mén)密度、較好的模擬組件性能，并提供埋層隔離使模擬信號免受高頻數字電路的干擾。
HPA07 集成了 5V 與 3.3V 數字邏輯器件以及存儲器，并添加了專(zhuān)門(mén)用于模擬功能的晶體管與無(wú)源組件。該工藝經(jīng)過(guò)精心設計，符合噪聲、晶體管線(xiàn)性以及組件匹配與穩定性方面的高性能標準。它極其適用于運算放大器、ADC、DAC、電壓參考與穩壓器以及儀表放大器。HPA07 還可實(shí)現多達 40 個(gè)組件的靈活設計，同時(shí)還以相當少的屏蔽使成本保持在可控范圍之內。
HPA07 CMOS 晶體管噪聲與失真都很低，它們采用掩埋信道 PMOS 技術(shù)制造，為此類(lèi)器件實(shí)現了極高的增益帶寬/噪聲比。帶有很低溫度系數的激光微調硅鉻 (SiCr)薄膜電阻器可在整個(gè)工作溫度范圍內實(shí)現穩定性。晶圓的單獨處理可實(shí)現 16 位初始 (initial) 電阻器匹配，比業(yè)界典型情況多出四位。它還具有漏極擴展 (drain-extended) CMOS 晶體管，可為高振幅信號應用處理高達 30V 的電壓。
此外，HPA07 提供了電壓系數提高 4 倍的金屬-絕緣體-金屬 (MIM) 電容器，并提供了高精度 TiN 聚合物 (TiN-Poly) 電容器、較厚的銅金屬路由層與存儲器。這些特性使模擬工藝能夠推出高精度集成產(chǎn)品。
OPA300 與 OPA301 只是該工藝生產(chǎn)的眾多產(chǎn)品中的最初產(chǎn)品而已。它們具有 150MHz 的單位增益帶寬、3nV/√Hz 的低電壓噪聲以及 30ns 內 0.1% 的建立時(shí)間。OPA300 采用工作電壓為 2.7V (±1.35V) 至 5.5V (±2.75V) 的單電源供電，并具有關(guān)機功能，可將電源電流降低至 5μA，這對便攜式低功耗應用非常有用。它們?yōu)轵寗?dòng)高速 SAR ADC 提供了低功耗單電源解決方案，同時(shí)還不影響性能。
BiCom-III
BiCom-III 是一種硅鍺 (SiGe) 工藝，為超高精度模擬集成電路而開(kāi)發(fā)。它是一種電介質(zhì)絕緣的硅 (Si) 基工藝，并在基區加鍺 (Ge)?；鶇^加鍺大大提高了載流子遷移率，實(shí)現了極快的瞬態(tài)時(shí)間。該工藝實(shí)現了真正互補的雙極 NPN 與 PNP 晶體管，傳輸頻率 (fT) 為 18GHz，最大頻率 (fmax) 為 40-60GHz?；パa晶體管可實(shí)現 AB 類(lèi)放大器級，這對設計高速、高性能模擬電路至關(guān)重要。該工藝實(shí)現的速度是較早工藝的三倍。
高速模擬設計技術(shù)的其他優(yōu)勢在于：金屬-絕緣體-金屬 (MIM) 電容器電壓系數很低、電阻匹配極佳 (0.1%)、電介質(zhì)絕緣 (DI)（也稱(chēng)作絕緣硅 (SOI)）。該工藝技術(shù)降低了寄生電容，并為增大的線(xiàn)性度生成很高的晶體管電流與增益爾利 (early) 電壓乘積（β×VA）。
BiCom-III 工藝先進(jìn)性能的實(shí)例之一是 THS4304。它是首款單位增益穩定的 3GHz電壓反饋運算放大器。它設計用于高性能高速模擬信號處理鏈中，在 +5V 單電源下工作。
THS4304 可提供 3GHz -3dB 的單位增益帶寬、830V/μs 的轉換速率、+45dBm 的三階輸出截取 (OIP3)@20MHz、2.8nV/√Hz 輸入噪聲以及 7.5ns 建立時(shí)間內達到 0.01%，與此同時(shí)僅消耗 90mW 的靜態(tài)功率。
要想了解 THS4304 獨樹(shù)一幟的性能，不妨將它與圖 4 所示的主要 (premier) ±5V 運算放大器進(jìn)行比較。競爭產(chǎn)品 X 對小至 +2V/V 的增益進(jìn)行內部補償，許多設計人員都認為它是現有失真最低的 ±5V 運算放大器之一。
該圖顯示了在 5V 電源下工作的 THS4304 與在 ±5V 電源下工作的競爭部件的二階及三階諧波失真 (HD2 HD3) 性能。每個(gè)放大器的增益都是 +2V/V，將 2Vp-p 傳動(dòng)到 100? 負載。請注意，盡管 THS4304 對單位增益 (G=+1V/V) 進(jìn)行補償，且所需的補償要高于就 G=+2V/V 的補償情況，但在電源電壓減半的情況下仍然具有極佳的失真性能。
圖 4--THS4304 與競爭產(chǎn)品 X 的比較
結論
新型工藝技術(shù)正推動(dòng)用于蜂窩基站的高性能組件的集成。這一推進(jìn)力量與拓撲及創(chuàng )新型設計解決方案（如正交調制器與解調器）方面的進(jìn)步以及 PA 線(xiàn)性化技術(shù)的結合，將降低成本、降低功耗需求、減小尺寸、提高可靠性，使未來(lái)的基站在尺寸上更小巧。要在單個(gè)器件上集成所有數字與模擬功能，工藝技術(shù)還有很長(cháng)的路要走，而要想以低成本實(shí)現上述目的，則要走的路還更長(cháng)。
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