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射頻工藝和手機(jī)射頻元件的集成策略

作者: 時(shí)間:2008-04-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  

  低頻和高頻RF無線系統(tǒng)的具有很大差異。在高頻段,由于CMOS工藝能實(shí)現(xiàn)的帶寬高于,因而是RF電路首選工藝,通常RF-CMOS不會(huì)與數(shù)字CMOS在同一個(gè)芯片上。在低頻段最重要的系統(tǒng)是蜂窩通信系統(tǒng),該類系統(tǒng)的RF功能的重點(diǎn)在于無源元件的集成。本文介紹了通過多片封裝或模塊實(shí)現(xiàn)無源元件與RF有源元件集成的策略。

  信息在通信系統(tǒng)的兩點(diǎn)傳輸過程中,射頻功能扮演了重要角色。在這類系統(tǒng)中,RF功能通常與其它功能在物理上分離,RF發(fā)射與接收一般是由不同的IC來實(shí)現(xiàn)。為減小系統(tǒng)尺寸并降低成本,人們不斷探索將RF與系統(tǒng)其它功能集成的方法,其中特別是DSP技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了十分重要的影響。除了這種RF與非RF集成的發(fā)展趨勢(shì)外,RF器件本身還有其它集成發(fā)展趨勢(shì)。這些不同的發(fā)展趨勢(shì)是因?yàn)椴煌到y(tǒng)需要不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)所需要的RF功能。例如,在將接收信號(hào)傳遞到低噪聲放大器(LNA)之前,有些系統(tǒng)要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效濾波,這需要采用陶瓷濾波器或(SAW)濾波器來對(duì)接收信號(hào)濾波,但這些濾波器都不能集成到接收器IC中。

  低頻與高頻系統(tǒng)的區(qū)別

  低頻與高頻系統(tǒng)之間的一個(gè)重要區(qū)別是,后者只能在發(fā)射器與接收器之間不存在阻擋的情況下才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸,而低頻系統(tǒng)沒有這樣的要求,因此能實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋面積。低頻和高頻之間并沒有明顯的分界點(diǎn),其過度頻率在2-5GHz之間,并取決于系統(tǒng)特性,例如發(fā)射器輸出功率和接收器靈敏度。本文以2.4GHz作為高低頻率的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。高頻系統(tǒng)還可以分為長(zhǎng)距離系統(tǒng)和短距離系統(tǒng)。長(zhǎng)距離系統(tǒng)如雷達(dá)、衛(wèi)星鏈路、基站鏈路、固定無線寬帶接入(FWBA)等,這些系統(tǒng)要求的發(fā)射功率都高于短距離系統(tǒng),如藍(lán)牙和802.11a/b等。

  高頻RF集成

  短距離無線通信系統(tǒng)的目標(biāo)市場(chǎng)是消費(fèi)電子市場(chǎng),因而要求尺寸小且成本低,并且隨著通過數(shù)據(jù)傳輸視頻流的應(yīng)用需求增長(zhǎng),數(shù)據(jù)傳輸速率將不斷增加。這些系統(tǒng)基本上都是便攜式電池供電的產(chǎn)品,要求長(zhǎng)的待機(jī)和通話時(shí)間。

  由于工作在高頻段的發(fā)射器較少,因此高頻率系統(tǒng)(高于2.4GHz)可以實(shí)現(xiàn)高帶寬和適中的接收器選擇特性。同樣,接收器的信噪比(S/N)很高,因而發(fā)射器的輸出功率可以較低。例如,802.11b在2.4GHz時(shí)具有11Mbps的帶寬,802.11a在5GHz下可以高達(dá)54Mbps。采用更寬的波段或更復(fù)雜的調(diào)制方法要求更嚴(yán)格的信號(hào),而與發(fā)射器緊密相關(guān)。

  

  

  圖1為CMOS和BiCOS所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較

  系統(tǒng)采用的工藝技術(shù)與所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率有關(guān),圖1為CMOS和BiCOS所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較。假設(shè)fmax與能得到的工作頻率直接相關(guān),很明顯CMOS是比較好的選擇。此外,CMOS還能滿足不嚴(yán)格的選擇性、信噪比和輸出功率要求,但由于工作電壓低而使動(dòng)態(tài)性能降低。然而,由于很多系統(tǒng)工作于開放頻段上,這樣在發(fā)射器和接收器之間將可能有很多發(fā)射設(shè)備互相干擾,如微波爐干擾藍(lán)牙通訊就是一個(gè)典型實(shí)例。

  盡管CMOS在高頻具有這些優(yōu)勢(shì),但BiCMOS技術(shù)具有雙極技術(shù)的RF模型、晶體管參數(shù)匹配的優(yōu)點(diǎn),而且BiCMOS設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)更豐富。在工藝選擇上尺寸并不是主要考慮因素,因?yàn)?.18um CMOS或BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙收發(fā)器功能的芯片尺寸相近。

  如果選擇CMOS工藝,標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS將是發(fā)展趨勢(shì),由于這些數(shù)字CMOS本身已經(jīng)采用了多層掩模工藝,因此將不會(huì)再增加其它選項(xiàng)。數(shù)字功能將占據(jù)最大的芯片面積,因此主要的成本將產(chǎn)生在這些數(shù)字功能部分。

  使用主流CMOS工藝將數(shù)字電路和RF功能集成在單塊芯片上還有意義嗎?這個(gè)問題需要從兩個(gè)方面來考慮:從技術(shù)角度看,采用為實(shí)現(xiàn)RF功能而改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS是可能的,如高阻抗基底減少通過基底的串?dāng)_,采用厚介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)無源元件的高品質(zhì)因素等;從集成的角度看,將標(biāo)準(zhǔn)CMOS應(yīng)用于射頻以及在一個(gè)芯片上集成數(shù)字和RF功能沒有太多的好處,因?yàn)閿?shù)字和RF的模型和庫有著根本上的不同。數(shù)字電路經(jīng)常用VHDL/Verilog語言設(shè)計(jì),CMOS技術(shù)的數(shù)字庫通常在新技術(shù)出現(xiàn)之前就已實(shí)現(xiàn),這些數(shù)字庫一代一代地使用,因此設(shè)計(jì)工程師可以在下一代工藝發(fā)布之前進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)。

  對(duì)于RF設(shè)計(jì)而言,只有在工藝出現(xiàn)后才可能有模型和庫,因此RF器件具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。由于RF功能一般沒有1:1的可再使用模塊,因此每個(gè)新器件幾乎必須從零開始開發(fā)。RF庫通常落后于數(shù)字庫1-2年,使用主流CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)RF功能,意味著在工藝上將落后一代。因此,在一個(gè)芯片上集成數(shù)字和RF功能意味著將采用上一代CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)數(shù)字功能,而通常實(shí)現(xiàn)成本更高。而且,無源元件(電感)和RF/模擬功能并不能真正隨著CMOS工藝技術(shù)同步發(fā)展,因此,RF部分所占面積相對(duì)于數(shù)字部分將隨不同的技術(shù)代而增加。

  在單芯片上集成數(shù)字和RF功能的其它困難還有:

  1. 必須控制數(shù)字和RF部分之間通過基底產(chǎn)生的串?dāng)_;

  2. 采用高級(jí)CMOS工藝的掩膜成本很高,而將數(shù)字和RF集成由于RF設(shè)計(jì)的原因必然會(huì)導(dǎo)致很多次的設(shè)計(jì)迭代,將導(dǎo)致成本增加;

  3. RF IC產(chǎn)量通常由設(shè)計(jì)所決定,數(shù)字IC由參數(shù)決定,因而集成數(shù)字和RF功能的集成電路的產(chǎn)量將低于數(shù)字IC;

  4. 數(shù)字CMOS封裝產(chǎn)生的高引腳電感將降低RF效率。

  從技術(shù)上講,短距離高頻系統(tǒng)的最佳解決方法是采用和模塊,其中數(shù)字和RF功能采用獨(dú)立的IC和BiCMOS工藝來實(shí)現(xiàn)。這些方案對(duì)于那些既具有設(shè)計(jì)能力又有生產(chǎn)封裝能力的廠商來說是可行的,但是,,尤其是模塊對(duì)于那些依靠代工廠的無晶圓廠來說并不容易實(shí)現(xiàn)。因此,這些公司將可能向在單片上集成數(shù)字和RF功能的方向發(fā)展。

  

  

  圖2 CDMA RF前端功能框圖所示

  無線系統(tǒng)還需要天線和用于的切換器件、Tx-Rx切換和天線分集,如圖2的CDMA RF前端功能框圖所示。為了嵌入這些器件,通常采用多片封裝的方式而非模塊集成。

  低頻集成

  對(duì)于2.4GHz以下的應(yīng)用,蜂窩系統(tǒng)是最廣泛和最重要的應(yīng)用。蜂窩手機(jī)要求成本低和尺寸小,需要更高的集成度。此外,蜂窩系統(tǒng)具有嚴(yán)格的性能和成本等要求,所使用的元器件種類很多。

  蜂窩系統(tǒng)的接收器端需要高靈敏度和選擇性,一般采用一個(gè)接收濾波器,如(SAW)濾波器來實(shí)現(xiàn);采用低噪聲放大器(LNA)來實(shí)現(xiàn)大的信噪比,其中的電感器用于發(fā)射器以實(shí)現(xiàn)噪聲和增益匹配之間的最佳平衡,通常將這種LNA功能集成在單芯片收發(fā)器IC上;基帶功能總是在主流CMOS IC中實(shí)現(xiàn);收發(fā)器功能傳統(tǒng)上是采用BiCMOS工藝,但是CMOS工藝正引起越來越的關(guān)注。同時(shí),多頻帶/系統(tǒng)集成也在不斷發(fā)展。

  另一個(gè)挑戰(zhàn)是發(fā)送(TX)路徑,這些全向非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)要求24-33dBm的高輸出功率。從易用性、效率和性能上來看,功放(PA)功能選擇的技術(shù)是硅(Si)雙極或GaAs HBT(Si LDMOS)。在最后的放大器級(jí)之后,需要一個(gè)低損耗輸出匹配電路,因?yàn)樵撾娐吩诩夹g(shù)上難以實(shí)現(xiàn)集成。該功能經(jīng)常與分立表面貼裝器件一起部分地集成,或通過特殊的低成本無源集成(PI)芯片來實(shí)現(xiàn)。

  

  

  低頻集成所使用的技術(shù)包括PA用的GaAs HBT,PA驅(qū)動(dòng)器用Si BiCMOS,用于輸出匹配的偏置級(jí)和功率控制環(huán)路的Si PI芯片?,F(xiàn)在的手機(jī)是多頻帶和多模式,需要在PA、接收通道和天線之間有大量的切換和濾波功能。開關(guān)器件通常是采用GaAs pHEMT或p-i-n二極管以及來實(shí)現(xiàn)。雙工濾波器(RX-TX分開),用于的同向雙工濾波器和諧波濾波器組成天線的無源前端部分。多波段PA模塊之后的前端集成TX-FE模塊。

  在無源前端之后全部是無線模塊,該模塊加入了收發(fā)器功能。把所有這些技術(shù)以更高性價(jià)比集成到蜂窩系統(tǒng)里極富挑戰(zhàn)性。收發(fā)器功能(包括LNA)可以采用片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),但接收濾波器仍需要放在芯片之外,PA和RF前端通常不能放在一個(gè)芯片上。一般而言,挑戰(zhàn)來自于無源元件和多技術(shù)封裝,一般選擇在LTCC或有機(jī)基底上的模塊集成。

  減少無源元件和推動(dòng)無源集成的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是技術(shù)。采用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)145pF/mm2和4%(3σ)的電容器精度,電感的Q因數(shù)超過50。該技術(shù)還可以作為橫向集成p-i-n二極管、高密度電容器和將來的MEMS可變電容器和開關(guān)的平臺(tái)。另一個(gè)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展是體聲波(BAW)技術(shù),該技術(shù)能夠替代濾波器中的陶瓷和SAW技術(shù)。BAW技術(shù)可以有幾種實(shí)現(xiàn)方法,其中一種如圖4所示。

  

  

  采用SAW技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是性能、損耗、、尺寸和成本,特別是在高于1GHz的頻率時(shí),SAW技術(shù)要求使用亞微米光刻。由于采用亞微米結(jié)構(gòu),在2GHz以上SAW濾波器的損耗將迅速增加,但BAW技術(shù)至少可以在高達(dá)10GHz的頻率下應(yīng)用。由于增加了額外的掩模和合格率相關(guān)的成本問題,在BiCMOS工藝上采用BAW技術(shù)可能并不具有太多的優(yōu)勢(shì)。

  

  

  將RF功能和完整的系統(tǒng)解決方案外包正成為一種新的商業(yè)模式,上面談到的前端集成化趨勢(shì)將進(jìn)一步發(fā)展,未來將涉及基帶和功率控制環(huán)路、匹配、RF切換和濾波器等,提供一個(gè)完整的RF系統(tǒng)解決方案。當(dāng)這些功能完全成熟,且OEM廠商接受這種產(chǎn)品后,這種完整系統(tǒng)方案將大量應(yīng)用。上面所述的前端集成的發(fā)展趨勢(shì)還將延伸到基帶和電源管理領(lǐng)域。

  作者: F. van Straten

  RF產(chǎn)品開發(fā)部高級(jí)主管

  飛利浦半導(dǎo)體公司

  Email: freek.van.straten@philips.com

  (52RD.com)



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