靈巧劃分在WiMAX射頻中的應(yīng)用

數(shù)字革命通過(guò)改造人們與周?chē)澜绲年P(guān)系已經(jīng)改變了我們通信、工作和旅行的方式。數(shù) 字化電子設(shè)備通過(guò)支持由各種便攜式、可訪問(wèn)的交互式通信媒體構(gòu)成的巨大網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)改造了我們的世界。然而，數(shù)字技術(shù)大有前途的優(yōu)勢(shì)只有當(dāng)它和模擬技術(shù)的能力一樣好時(shí) 才能體現(xiàn)出來(lái)，以便忠實(shí)地將由“1”和“0”表示的數(shù)字語(yǔ)言還原為原始的模擬信號(hào)。

數(shù)字革命的進(jìn)步一直遵循摩爾定律——芯片中的晶體管數(shù)目每18 個(gè)月翻一番。而模擬 技術(shù)遵循的則是墨菲定律來(lái)表述——如果可能出現(xiàn)任何錯(cuò)誤的話，那么，一定是定律本 身的錯(cuò)誤。模擬技術(shù)以更為有規(guī)律的步調(diào)發(fā)展，支配其發(fā)展的不是工藝的增強(qiáng)，而是在 電路和物理晶體管建模中的創(chuàng)新。這些技術(shù)創(chuàng)新從多個(gè)維度逐步提高性能、降低功耗和 提高集成度。

集成趨勢(shì)和靈巧劃分案例

集成趨勢(shì)是隨著產(chǎn)量和系統(tǒng)成熟程度而變化的；在許多情況下，系統(tǒng)的認(rèn)可和單位產(chǎn)量絕不能證明經(jīng)過(guò)多輪改進(jìn)的開(kāi)發(fā)是正確的。在其它一些諸如基站、儀器儀表和軍事的應(yīng) 用中，嚴(yán)格的性能要求導(dǎo)致必須采用分立方案實(shí)現(xiàn)。在有些情況下，例如用戶普遍認(rèn)可 的蜂窩和Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，競(jìng)爭(zhēng)壓力迫使不斷降低成本。由于技術(shù)的部署成本越來(lái)越昂貴(例 如掩模工藝、測(cè)試工具和工程成本)，從而需要回報(bào)來(lái)支撐相關(guān)研發(fā)投資的增加。同時(shí)， 競(jìng)爭(zhēng)壓力迫使公司在標(biāo)準(zhǔn)生命周期的早期大量投資。如果市場(chǎng)已經(jīng)起飛，而一個(gè)公司的 芯片組還沒(méi)有準(zhǔn)備好，那么其結(jié)果可能是非常可怕的。

事實(shí)上，為了確保當(dāng)市場(chǎng)起飛時(shí)一切都準(zhǔn)備好，企業(yè)不得不做前期投資，而且這種投資金額越來(lái)越高；與此同時(shí)，客戶要求他們的供應(yīng)商提供越來(lái)越高的性能。如何從當(dāng)今復(fù) 雜的通信系統(tǒng)所要求的研發(fā)投入中獲得可接受的回報(bào)成為一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。根據(jù) SoC 的復(fù)雜程度——90nm 線寬制造工藝所需的開(kāi)發(fā)成本可以很容易就達(dá)到1 千萬(wàn)到2 千萬(wàn)美元，有時(shí)甚至更高。一個(gè)新設(shè)計(jì)的成功與否取決于對(duì)其IP 頗有價(jià)值的市場(chǎng)的認(rèn)知， 以及后續(xù)各階段為滿足用戶需求的合作伙伴的選取。能夠全面解決各方面系統(tǒng)開(kāi)發(fā)問(wèn)題的公司越來(lái)越少。然而，重點(diǎn)放在性能成本、上市時(shí)間和資金回報(bào)卻是最根本的要求。

對(duì)于新興的通信應(yīng)用(例如WiMAX)，第一代系統(tǒng)通常已經(jīng)采用多芯片IC 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。媒體 訪問(wèn)控制器(MAC)和調(diào)制解調(diào)器部分可采用FPGA 和現(xiàn)成的DSP；射頻(RF)部分通常采用 分立元件，例如LNA、混頻器和頻率合成器，使用ADC 和DAC 橋接模數(shù)之間的鴻溝。隨 著產(chǎn)量增加，數(shù)字邏輯各部分經(jīng)常被集成到一塊特定的ASIC 上，在某些情況下，為了 與高集成度的RF 解決方案一起使用，ADC/DAC 也被集成到數(shù)字ASIC 上。對(duì)于尺寸受限 制的其它應(yīng)用，例如手機(jī)和USB 軟件狗，模擬和數(shù)字功能模塊需要被集成在一起，或者在一個(gè)系統(tǒng)中采用多芯片模塊封裝，或者采用單芯片。有許多不同的方法可以用來(lái)減小芯片面積和降低成本，而現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是隨著產(chǎn)量的上升、芯片面積和成本下降。在 某些情形下，成本為王，甚至可以犧牲RF 性能(例如，一些WLAN 消費(fèi)應(yīng)用)，盡管用戶 可能沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。而在另一些情形下，芯片面積是關(guān)鍵，所以功能的集成度是驅(qū)動(dòng)力。

成功的秘訣不止一條。各個(gè)企業(yè)憑借許多不同的集成方法和降低成本策略已經(jīng)取得了成功。顯然，開(kāi)發(fā)方案的選擇必須使電子材料成本(eBOM)、封裝尺寸和上市時(shí)間最小。系 統(tǒng)劃分的靈巧設(shè)計(jì)對(duì)取得成功起到重要作用。

傳統(tǒng)劃分方法：上市時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)

將混合信號(hào)電路集成到一顆數(shù)字ASIC 上會(huì)帶來(lái)許多實(shí)現(xiàn)難題，并且產(chǎn)生上市時(shí)間問(wèn)題， 更重要的是給產(chǎn)品帶來(lái)了收益時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)。即使混合信號(hào)內(nèi)核已經(jīng)單獨(dú)得到驗(yàn)證，其性能 卻取決于集成環(huán)境。其中電源布線、寄生電容和工藝變化——這些對(duì)于純數(shù)字芯片并不 重要的問(wèn)題——現(xiàn)在都變得格外重要。

從經(jīng)過(guò)FPGA 驗(yàn)證的純數(shù)字設(shè)計(jì)到流片生產(chǎn)需要2~6 個(gè)月的時(shí)間，主要取決于復(fù)雜度、 設(shè)計(jì)流程和自動(dòng)化工具。另一方面，完成混和信號(hào)設(shè)計(jì)到首次流片所需要的時(shí)間是數(shù)字設(shè)計(jì)的三倍——假設(shè)模擬內(nèi)核是現(xiàn)成的且所選擇的制造工藝適當(dāng)且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。由于信號(hào)幅度處于微伏范圍的模擬電路對(duì)數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的噪聲特別敏感，所以需要特別關(guān)注并進(jìn)行多次設(shè)計(jì)和布線檢查，從而增加了流片生產(chǎn)周期和提供樣片的時(shí)間。

問(wèn)題并非無(wú)法克服。有多種方法可以用來(lái)減輕電路中的相互干擾，但這些方法都需要精心設(shè)計(jì)定制的掩模版圖，它需要工程時(shí)間和資源。當(dāng)然需要開(kāi)發(fā)一套完整的可能超出工 程團(tuán)隊(duì)能力范圍的新的核心能力。

*估板的設(shè)計(jì)和布線也對(duì)器件的混合信號(hào)部分的性能有著重要影響。在參考設(shè)計(jì)板上的模擬I/O 對(duì)外部噪聲很敏感，所以設(shè)計(jì)的混合部分的電源布線需要高度隔離。除去模擬 I/O 會(huì)使噪聲耦合問(wèn)題減到最小，此外，可以解決來(lái)自不同廠家提供的模擬內(nèi)核(例如， RF 芯片和混合信號(hào)轉(zhuǎn)換器內(nèi)核)的接口問(wèn)題。例如，一些現(xiàn)有的ADC 內(nèi)核推薦采用一個(gè) 分立5V 運(yùn)放驅(qū)動(dòng)緩沖器，以達(dá)到產(chǎn)品使用說(shuō)明中規(guī)定的性能。對(duì)于采用更小線寬(例如 130nm 或90nm)工藝制造的調(diào)制解調(diào)器，當(dāng)使用不同廠商的RF 芯片時(shí)，必須減少信號(hào)擺 幅和共模電平并加以匹配。這些附加的考慮還需要寶貴的工程資源。

為了爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額，在市場(chǎng)上屈居第二通常意味著必須大幅度削減產(chǎn)品價(jià)格。如果選擇純數(shù)字或FPGA 設(shè)計(jì)流程則可以把產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的時(shí)間縮短6~12 個(gè)月。

獲得功能正常的硅片僅僅是第一步——把混合信號(hào)IC 投入生產(chǎn)卻面臨其自身的挑戰(zhàn)。 混合信號(hào)電路對(duì)一些工藝變化很敏感，例如門(mén)限、泄漏、材料電阻和其它工藝參數(shù)。通常，隨著混合信號(hào)的性能降低，系統(tǒng)性能也將隨之降低。 對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品市場(chǎng)，具備多個(gè)制造基地的生產(chǎn)能力是確保及時(shí)供貨和最優(yōu)化成本的根本保證。相對(duì)于數(shù)字設(shè)計(jì)對(duì)制造廠的選擇時(shí)無(wú)所謂而言，而將混合信號(hào)電路的生 產(chǎn)轉(zhuǎn)移到不同的制造廠則是很花費(fèi)時(shí)間的，而且可能需要大面積的重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化技 能。將資源與不同制造商的制造流程整合在一起通常是很困難的，盡管這些資源在其它 地方卻都用得很好。



傳統(tǒng)劃分存在的另一個(gè)重要問(wèn)題是它需要一個(gè)成對(duì)匹配方法。換言之，因?yàn)锳DC 和DAC 與RF 部分是分離的，所以迫使兩顆芯片和多個(gè)功能電路之間共同參與同一實(shí)時(shí)環(huán)路，例如自動(dòng)增益控制和發(fā)射功率控制環(huán)路。為了最優(yōu)化由分立器件構(gòu)成的參考設(shè)計(jì)，要預(yù) 先做一些重要工作。

以上這些模擬信號(hào)和混合信號(hào)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)使系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)減少了對(duì)其核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)注，并且可能推遲新產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間。

靈巧劃分

隨著RF CMOS 工藝的成熟以及模擬和RF 建模能力的進(jìn)步，現(xiàn)在就有可能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 和其它混合信號(hào)模塊集成到RF IC 之中。下面將介紹為何在一些通信系統(tǒng)中用數(shù)字接口 替代傳統(tǒng)模擬基帶接口，從而提供一種“靈巧”的系統(tǒng)劃分方法。



這里推薦的劃分方法包括對(duì)諸如 RF 系統(tǒng)級(jí)芯片之類(lèi)的功能單元的適當(dāng)劃分，從而提供 一套完整的從RF 到數(shù)字轉(zhuǎn)換的解決方案，其中包括控制環(huán)路所需要的全部功能，如自 動(dòng)增益控制、發(fā)射功率控制和RF 校準(zhǔn)環(huán)路。在射頻前端引入控制環(huán)路不但便于使用而 且更易于與不同數(shù)字基帶物理層(PHY)調(diào)制解調(diào)器的混合和匹配。ADI/Q 數(shù)字I/Q 接口是 為RF 前端和數(shù)字基帶之間的接口而提供的。該接口包含雙向控制線和數(shù)據(jù)線，并支持互操作性且易于使用。實(shí)時(shí)軟件控制的減少導(dǎo)致系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。全部模擬信號(hào)和 RF 專(zhuān)用控制部分都被劃分到RF 前端。

通過(guò)降低單元成本來(lái)進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)成本 以高需求和大規(guī)模生產(chǎn)為特征的市場(chǎng)細(xì)分吸引著越來(lái)越多的公司進(jìn)入市場(chǎng)。為了成功地 確保領(lǐng)先地位和日益增加的市場(chǎng)份額，方案提供商需要重視芯片組的整個(gè)制造成本。靈 巧分劃分可以有效地降低芯片成本。

對(duì)于通信系統(tǒng)，例如WiMAX 和寬帶無(wú)線接入，至關(guān)重要的是消費(fèi)價(jià)格點(diǎn)必須低于100 美 元。例如，用于ADSL 和802.11g Wi-Fi 的客戶端設(shè)備(CPE)(20~30 美元)隨著價(jià)格下降 產(chǎn)量急劇增加。新興的市場(chǎng)如WiMAX 也會(huì)經(jīng)歷類(lèi)似的價(jià)格壓力。預(yù)期到2007 年中期， CPE 終端用戶的價(jià)格會(huì)降低到100 美元以下。為了實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)目標(biāo)，芯片組的定價(jià)需要降 低到20~25 美元范圍之內(nèi)。這可能比目前的成本低許多，因此需要重大的改進(jìn)才能確保在該市場(chǎng)價(jià)格條件下能產(chǎn)生可接受的利潤(rùn)。



從模擬RF 到數(shù)字RF IC 可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變。