RF大規(guī)模集成減少手機(jī)線路板面積和功耗

如今的無(wú)線設(shè)備中，線路板上一半以上的元件都是模擬RF器件，因此要縮小線路板面積和功耗一個(gè)有效方法就是進(jìn)行更大規(guī)模RF集成，并向系統(tǒng)級(jí)芯片方向發(fā)展。本文介紹RF集成發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其中一些問(wèn)題提出應(yīng)對(duì)方法和解決方案。

　　幾年以前，蜂窩手機(jī)市場(chǎng)還是單頻和雙頻單模手機(jī)占主導(dǎo)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(diào)制方法、多路訪問(wèn)方案和協(xié)議。相比而言，今天的新一代蜂窩電話設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，能提供多頻段、多模式支持，具有藍(lán)牙個(gè)人區(qū)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)開始出現(xiàn)，此外像游戲、圖像、音頻和視頻等應(yīng)用在手機(jī)中也已變成非常普遍。

　　無(wú)線電話正在成為所謂的手持個(gè)人娛樂中心這樣一種復(fù)雜設(shè)備，其發(fā)展趨勢(shì)對(duì)設(shè)計(jì)人員不斷帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。雖然相比于只有語(yǔ)音功能的手機(jī)而言，新一代手機(jī)在通信處理、應(yīng)用處理、射頻接口數(shù)量以及集成存儲(chǔ)器容量等方面都有了大幅增長(zhǎng)，但用戶仍期盼手機(jī)具有更小體積、流線型外形和低價(jià)位，而且要有大的彩色顯示屏，能提供與傳統(tǒng)語(yǔ)音手機(jī)相似的待機(jī)和通話時(shí)間。保持現(xiàn)有的外形尺寸和功耗，卻要使功能呈指數(shù)倍增長(zhǎng)，同時(shí)還要維持總體系統(tǒng)成本不變，這些都給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了大量的難題。

　　顯然，問(wèn)題涉及整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)部分，以及所有無(wú)線通信和娛樂內(nèi)容的供應(yīng)商們。在減少線路板面積和功耗方面特別有效的一個(gè)領(lǐng)域是無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的RF部分，這是因?yàn)樵诮裉斓湫偷囊苿?dòng)電話中，線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(jù)了整個(gè)線路板面積的30-40%，增加諸如藍(lán)牙、GPS和 WLAN之類的射頻系統(tǒng)還會(huì)極大增加對(duì)空間的要求。

　　解決方案是進(jìn)行更大規(guī)模的RF集成，并最后發(fā)展成為完全集成的系統(tǒng)級(jí)芯片。有些設(shè)計(jì)人員將模數(shù)轉(zhuǎn)換器放到天線中，使射頻功能所需總線路板空間為之減少，當(dāng)半導(dǎo)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(shù)目及用來(lái)容納這些器件的線路板空間就都相應(yīng)減少了。隨著業(yè)界向系統(tǒng)級(jí)芯片集成發(fā)展，設(shè)計(jì)人員還將不斷發(fā)現(xiàn)新技術(shù)，以滿足小型無(wú)線設(shè)備中更高RF復(fù)雜性和延長(zhǎng)電池壽命這兩者之間的矛盾。

　　RF集成發(fā)展現(xiàn)狀

　　RF集成一個(gè)重要的發(fā)展出現(xiàn)在大約三年以前，當(dāng)時(shí)RF技術(shù)和數(shù)字基帶調(diào)制解調(diào)器的發(fā)展使得在無(wú)線手機(jī)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(jí)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(yīng)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(shù)。在上世紀(jì)九十年代后期，一個(gè)典型的單頻段超外差RF子系統(tǒng)包括PA、天線開關(guān)、LDO、小信號(hào)RF和VCTCXO，需要大約200個(gè)分立器件；今天，我們能夠設(shè)計(jì)一個(gè)具有四頻段功能的直接變頻系統(tǒng)，集成了VCO、VCXO和PLL回路濾波器，而它的元件數(shù)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(diào)節(jié)器、VCO和VCO槽路、PA功率控制、PLL回路濾波器EDGE阻塞器檢測(cè)、LNA增益分步控制及VCXO。

　　對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)講，先進(jìn)的集成有助于克服無(wú)線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(diào)節(jié)。在通話時(shí)，隨著溫度和時(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(tǒng)的性能，因而設(shè)計(jì)人員面臨著如何解決射頻線路板調(diào)節(jié)器和大多數(shù)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(shè)計(jì)，也節(jié)省了線路板空間。

　　RF設(shè)計(jì)人員面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是VCO調(diào)諧范圍和鎖定時(shí)間。在所有模擬VCO設(shè)計(jì)中。因?yàn)槌３Ｐ枰獙?duì)鎖定時(shí)間和調(diào)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(diào)諧范圍的軟件控制中解決，然而這個(gè)方法對(duì)電話整體開發(fā)提出了額外的資源要求。當(dāng)數(shù)字調(diào)諧功能包括在VCO中且能提供自校準(zhǔn)時(shí)，就可得到一個(gè)擴(kuò)展的調(diào)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(shè)計(jì)工程師簡(jiǎn)化他們的工作。

　　為獲得GSM系統(tǒng)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(dá)幾千個(gè)數(shù)字CMOS門組成，制作在PAM內(nèi)一個(gè)獨(dú)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(gòu)數(shù)字CMOS電路和將它們裝入 PAM中，對(duì)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(jié)約的另一個(gè)領(lǐng)域是VCXO。在過(guò)去，要購(gòu)買昂貴的VCTCXO模塊作為分立元件設(shè)計(jì)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(fèi)用和相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題，利用TRF6151僅需要一個(gè)低價(jià)位的晶體和變?nèi)荻O管就能完成VCTCXO的功能。

　　雖然有了這些集成和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，RF設(shè)計(jì)工程師依然面臨著困難的抉擇，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(shè)計(jì)中所用的電流越大，總體噪聲特性就越低。設(shè)計(jì)工程師必須判定接收器的總功率預(yù)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。所以雖然能滿足 GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計(jì)人員也必須經(jīng)常問(wèn)自己，為達(dá)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(duì)設(shè)計(jì)工程師和IC制造商來(lái)講為什么在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中密切配合非常必要，從設(shè)計(jì)工程師處得到的反饋能夠引導(dǎo)IC制造商在開發(fā)未來(lái)RF產(chǎn)品時(shí)更好地為無(wú)線業(yè)界服務(wù)。

向SoC發(fā)展

　　降低無(wú)線系統(tǒng)的成本、功率和復(fù)雜性對(duì)于成功滿足系統(tǒng)集成度要求是非常重要的，然而，開發(fā)移動(dòng)電話高集成度方案需要半導(dǎo)體業(yè)界克服復(fù)雜的技術(shù)障礙，這些障礙有些很少被設(shè)計(jì)人員所關(guān)心，因?yàn)樗麄兒芏嗳瞬⒉幌胫繱oC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(duì)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(jī)集成所用器件的能力和可用性。

　　手機(jī)射頻電子系統(tǒng)集成有幾種可行方案。首先，可以使用傳統(tǒng)技術(shù)在一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的雙極型或BiCMOS工藝中實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳統(tǒng)射頻架構(gòu)，最終的射頻芯片可以用多芯片封裝技術(shù) （系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)）與手機(jī)數(shù)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(shè)計(jì)方法和成熟的工藝和技術(shù)，但測(cè)試器件高昂的費(fèi)用和成品率限制使它很難實(shí)現(xiàn)商用化。

　　另外還有一種方法，手機(jī)電子系統(tǒng)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(fèi)用，同時(shí)因?yàn)镾iGe 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(shù)字CMOS工藝。這些都會(huì)給增加手機(jī)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?yàn)檫@一技術(shù)無(wú)法在所有時(shí)間保持系統(tǒng)邏輯或數(shù)字部分都是最低可能價(jià)位，所以在BiCMOS（或SiGe）中系統(tǒng)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(dāng)大的挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)有幾種CMOS蜂窩射頻設(shè)計(jì)，但這些設(shè)計(jì)很大程度是建立在模擬功能上。用CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)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。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS額定電平越來(lái)越低，這使模擬設(shè)計(jì)更為困難。在開發(fā)新工藝早期，器件建模和工藝成熟性一般都不能滿足模擬模塊設(shè)計(jì)所需的高精度參數(shù)建模要求，不過(guò)，最近開發(fā)的數(shù)字CMOS射頻架構(gòu)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(tǒng)級(jí)芯片方案時(shí)，這些方案也驅(qū)動(dòng)著半導(dǎo)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(dá)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)線手機(jī)設(shè)計(jì)向前跨越一大步，并為不久將來(lái)更大的集成設(shè)立了方向。

　　本文結(jié)論

　　在RF集成方面依然有許多難題。現(xiàn)代手機(jī)的每一個(gè)射頻器件都面臨著嚴(yán)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(yīng)的電平只有幾個(gè)微伏；另外選擇性也即有用通道對(duì)相鄰頻段的拒絕能力（通常稱為阻塞）應(yīng)為60dB數(shù)量級(jí)；此外系統(tǒng)振蕩器要求運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)為整個(gè)SoC頻率帶來(lái)一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，希望能夠減輕帶內(nèi)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的激勵(lì)，向數(shù)字射頻集成所包括的內(nèi)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(gòu)。

　　對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)講，目前簡(jiǎn)單、高集成度、節(jié)省成本的半導(dǎo)體器件能夠大大降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，與此同時(shí)它們又能夠豐富無(wú)線器件的特性且保持系統(tǒng)尺寸、電池壽命和費(fèi)用不變。新的高集成度RF器件還可以消除一些無(wú)線設(shè)計(jì)中的爭(zhēng)論，節(jié)約工程師們寶貴的時(shí)間。