無線手機使用的集成式RF功放器/濾波器前端

CMOS設計人員多年來一直把各種功能集成到大型集成電路中。大家已經看到，摩爾定律在日常生活中給性能和成本帶來了難以置信的影響。在移動通信終端中，許多元器件要么已經集成到RFIC中，要么因直接數字上/下變頻器的出現而消失。 在通信終端中，到目前一直有兩個RF元器件沒有集成，即濾波器和RF功放器，這兩種器件采用的構建技術都不兼容芯片上CMOS集成。在傳統(tǒng)上，濾波器一直采用陶瓷或表面聲波(SAW)技術構建，而RF功放器則一直使用GaAs異質結雙極晶體管(HBT)或FET器件構建。

由于這些技術與RFIC使用的硅或SiGe工藝有著很大區(qū)別，因此功放器和濾波器一直作為分散器件，與現在執(zhí)行手機大部分RF功能的大規(guī)模集成芯片組分開。聲音諧振器技術和先進的低噪聲高線性度晶體管技術已經明顯縮小了每種分散功能的體積。圖1是當前CDMA PCS手機設計中使用的單獨的薄膜腔聲諧振器(FBAR)濾波器和增強模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管(E-pHEMT)功放器。

但是，當前的單片電路濾波器和放大器技術允許設計人員突破RF集成障礙，重要的技術進步包括：

表面聲波(SAW)濾波器

FBAR濾波器

異質結雙極晶體管(HBTs)

E-pHEMT

由于每種技術都把某種RF功能精簡到單片電路設備上，因此可能需要重要舉措來提高集成度。以前的技術如陶瓷濾波器需要采用非單片電路結構，單片電路放大器集成起來很不方便。

最近，多家公司已經開始采用多種芯片技術和多板上多芯片(MCOB)封裝開發(fā)RF模塊。這種方法通過采用優(yōu)化的半導體工藝，可以實現最佳的濾波器和功放器性能。GaAs HBT或E-pHEMT放大器可以與基于硅的FBAR濾波器集成在一個價格低廉的封裝中。同時，MCOB模塊可以大大降低體積，改善RF前端的性能。

集成式RF前端模塊(FEM)的第一個、也是最明顯的優(yōu)勢是可以進一步縮小體積。圖2是雙頻CDMA手機的典型布局。$輪廓指明了容納800 MHz和1900 MHz頻段的雙工器、濾波器和放大器所需的空間。藍色輪廓同比例顯示了實現兩個集成了雙工器/放大器的FEM所需的電路板空間。尺寸大大降低主要歸功于消除若干個元器件使用的多個輸入/輸出接口。

RF FEM的第二個明顯優(yōu)勢在于可以實現的效率改善。通過優(yōu)化輸出上功放器和濾波器/雙工器之間的接口，設計人員可以把典型手機的通話時間延長半小時以上。

能夠把功放器和濾波器與實現最優(yōu)效率或線性度性能的阻抗自由匹配起來，可以產生明顯的好處。圖3中比較了放大器和雙工器組合，其中使用同一放大器，但集成程度不同。在全部三項測試中，雙工器的輸出功率都設為+24.5 dBm。改進的匹配程度及降低集成式前端模塊中發(fā)射鏈的插入損耗，可以大大改進效率。在CDMA手機中，改進的效率可以把通話時間延長35 – 45分鐘。

第三個優(yōu)點：由于RF元器件之間的線路長度可能非常短，因此集成式FEM更不容易受到RF干擾。通過把多種功能集成到一個微型MCOB器件中，RFIC的發(fā)射機輸出與天線之間的整體電長度會變得非常短，因此，PCB的RF段收到的干擾和發(fā)射的干擾都會比較少，從而降低對其它元器件的潛在影響。

這一性能改善將把我們帶到哪里？通過采用零IF結構及數字應用技術的其它進步，似乎很明確的一點是，進一步集成對RF元器件不可避免。問題仍然是：進一步集成RF放大器和濾波器會發(fā)生在RFIC和/或基帶芯片組中，還是有單獨的RF集成道路？

多種市場發(fā)展態(tài)勢表明，這種集成可能是分開的，也就是說，將在單獨的元件中進行RF集成。例如，在GSM和W-CDMA市場中，RFIC通常由基帶芯片之外的不同廠商提供。由于CMOS技術正在不斷改進速度和性能，大多數專家同意，基帶/RFIC芯片組在未來幾年內將變得可行。CMOS技術的低成本使經濟推動因素相當顯著：一旦CMOS能夠支持RFIC的功能，我們可以預計市場將需要可能實現的較低價位。

另一方面，功放器和專用濾波器等RF元器件要求的性能與半導體工藝有著很大的差異。功放器要求高線性度，晶體管導致的噪聲較低，同時把信號電平提升到接近1 W。基于CMOS的放大器近年來取得一定的進步，但預計不會與高遷移性材料爭奪高功率應用，因為CMOS工藝是為低電流/低電容晶體管應用優(yōu)化的。因此，在要求大量功率的移動無線應用中，CMOS放大器在線性度和效率方面有著明顯的缺點。

濾波器和雙工器給CMOS技術提出了更大的挑戰(zhàn)。大多數移動手機目前采用陶瓷、SAW或FBAR諧振器，以利用陶瓷或聲音技術提供的高Q優(yōu)勢。CMOS器件中的電感器Q一般約為100，而陶瓷沒有負荷的Q值在1000 – 3000之間，單片電路FBAR諧振器的Q值則要高達3000。沒有負荷的Q值越高，濾波器的插入損耗越低，滾降越劇烈，從而可以改進抑制性能。因此，許多芯片組供應商考慮把嵌入式濾波器集成到RFIC中。這種方法給簡單的濾波器應用帶來了一些希望，如GSM接收機和發(fā)射機濾波器，其中將在硅晶片流程中制作分散的模具，如FBAR，然后可以把模具嵌入到基帶或RFIC器件中。(注：由于石英晶體基底和基于硅的RFIC的熱量不匹配，因此可能很難以類似方式集成SAW濾波器。)

在CDMA和W-CDMA等FDD應用中，一般使用雙工器把接收機頻段和發(fā)射機頻段分開。由于雙工器必須位于天線接口上，因此功放器自然而然地位于RFIC和雙工器之間(圖4)。因此對CDMA和W-CDMA，把雙工器嵌入RFIC中變得有問題。為實現杰出的解決方案，有必要同時集成濾波器技術和功放器技術。

對移動手機應用，在性能、成本和供應商發(fā)展動態(tài)之間實現最佳平衡似乎需要采用圖5所示的結構。由于集成式基帶/RFIC芯片組，如綠色顯示的手機的數字部分可以被推動到非常低的成本和非常高的性能，因為可以為這些功能優(yōu)化CMOS工藝和設計。如藍色所示，一兩個單獨的RF前端模塊將利用GaAs功率器件中更高效的性能及單片電路諧振器拓撲的高Q濾波器性能。

在過去15年中，移動手機設計的整體發(fā)展趨勢已經涉及到大規(guī)模集成度。這種趨勢將繼續(xù)，為未來的多頻多模式手機提供性能和成本優(yōu)勢。由于目前多家公司的RF開發(fā)進展，我們可以期待具有2G和3G功能的手機，并在電路板上留出更多的空間，實現更大的內存、處理能力及更加高級的應用。

圖示內容：

圖1. 典型的分散器件。典型的FBAR 濾波器(左)和采用E-pHEMT有源模具的放大器(右)。

圖2. 典型的雙頻CDMA手機及通過RF集成可能節(jié)約的體積示意圖。

圖3. PCS CDMA手機設計效率比較。

圖4. 簡單的前端模塊方框圖。

圖5. 雙模式GSM和3G手機的未來移動手機劃分。