大規模RF集成可減少手機線路板面積和功耗

　如今的無線設備中，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有效方法就是進行更大規模RF集成，并向系統級芯片方向發展。本文介紹RF集成發展現狀，并對其中一些問題提出應對方法和解決方案。
　　
　　幾年以前，蜂窩手機市場還是單頻和雙頻單模手機占主導地位，其使用的技術僅支持一個或兩個蜂窩頻段，在所有支持頻段中采用相同的調制方法、多路訪問方案和協議。相比而言，今天的新一代蜂窩電話設計要復雜得多，能提供多頻段、多模式支持，具有藍牙個人區域網絡、GPS定位等功能，而且超寬帶和電視接收功能已經開始出現，此外像游戲、圖像、音頻和視頻等應用在手機中也已變成非常普遍。
　　
　　無線電話正在成為所謂的手持個人娛樂中心這樣一種復雜設備，其發展趨勢對設計人員不斷帶來更多挑戰。雖然相比于只有語音功能的手機而言，新一代手機在通信處理、應用處理、射頻接口數量以及集成存儲器容量等方面都有了大幅增長，但用戶仍期盼手機具有更小體積、流線型外形和低價位，而且要有大的彩色顯示屏，能提供與傳統語音手機相似的待機和通話時間。保持現有的外形尺寸和功耗，卻要使功能呈指數倍增長，同時還要維持總體系統成本不變，這些都給系統設計人員提出了大量的難題。
　　
　　顯然，問題涉及整個系統設計的各個部分，以及所有無線通信和娛樂內容的供應商們。在減少線路板面積和功耗方面特別有效的一個領域是無線系統設計的RF部分，這是因為在今天典型的移動電話中，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了整個線路板面積的30?40%，增加諸如藍牙、GPS和WLAN之類的射頻系統還會極大增加對空間的要求。
　　
　　解決方案是進行更大規模的RF集成，并最后發展成為完全集成的系統級芯片。有些設計人員將模數轉換器放到天線中，使射頻功能所需總線路板空間為之減少，當半導體集成技術在單個器件中能集成更多功能時，分立器件數目及用來容納這些器件的線路板空間就都相應減少了。隨著業界向系統級芯片集成發展，設計人員還將不斷發現新技術，以滿足小型無線設備中更高RF復雜性和延長電池壽命這兩者之間的矛盾。
　　
　　RF集成發展現狀
　　
　　RF集成一個重要的發展出現在大約三年以前，當時RF技術和數字基帶調制解調器的發展使得在無線手機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混頻器、濾波器和多個電壓控制振蕩器(VCO)，已經很好地應用了多年，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。在上世紀九十年代后期，一個典型的單頻段超外差RF子系統包括PA、天線開關、LDO、小信號RF和VCTCXO，需要大約200個分立器件；今天，我們能夠設計一個具有四頻段功能的直接變頻系統，集成了VCO、VCXO和PLL回路濾波器，而它的元件數卻少于50個。

　　
　　如德州儀器用于GSM的收發器TRF6151(圖1)，集成在上面的功能包括片上電壓調節器、VCO和VCO槽路、PA功率控制、PLL回路濾波器EDGE阻塞器檢測、LNA增益分步控制及VCXO。
　　
　　對于設計人員來講，先進的集成有助于克服無線RF中一些大的難題，其中最基本的一個是收發器的DC電源及其調節。在通話時，隨著溫度和時間變化，電池電壓會變化，此外，來自TX VCO和RX VCO電源的噪聲耦合也會影響整個系統的性能，因而設計人員面臨著如何解決射頻線路板調節器和大多數相關無源元件的問題。將這些器件集成在射頻收發器中意味著唯一所需的外部元件就是簡單的去耦電容，這種直接與電源相連的特性不僅簡化了設計，也節省了線路板空間。
　　
　　RF設計人員面臨的另一個挑戰是VCO調諧范圍和鎖定時間。在所有模擬VCO設計中。因為常常需要對鎖定時間和調諧范圍進行平衡，所以回路濾波器一般放在芯片外部。有時候，這可以在VCO調諧范圍的軟件控制中解決，然而這個方法對電話整體開發提出了額外的資源要求。當數字調諧功能包括在VCO中且能提供自校準時，就可得到一個擴展的調諧范圍，回路濾波器元件就能放在芯片中。顯然，這一方案可使設計工程師簡化他們的工作。
　　
　　為獲得GSM系統所需的發送器功率控制，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幾千個數字CMOS門組成，制作在PAM內一個獨立的芯片中，該元件會使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制造商不必采購數字CMOS電路和將它們裝入PAM中，對于一個每月生產成千上萬產品的OEM來講，去掉這個多余的元件將大大降低他們的成本。
　　
　　先進集成能帶來實質性節約的另一個領域是VCXO。在過去，要購買昂貴的VCTCXO模塊作為分立元件設計在射頻器件中，所以將VCTCXO模塊常用元件并入射頻器件中能減少費用和相關設計問題，利用TRF6151僅需要一個低價位的晶體和變容二極管就能完成VCTCXO的功能。
　　
　　雖然有了這些集成和設計簡化，RF設計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)設計中所用的電流越大，總體噪聲特性就越低。設計工程師必須判定接收器的總功率預算，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，事實上正好相反。所以雖然能滿足GSM標準規范，設計人員也必須經常問自己，為達到某個靈敏度水平而在功耗上付出代價是否值得。這個問題也說明對設計工程師和IC制造商來講為什么在整個設計過程中密切配合非常必要，從設計工程師處得到的反饋能夠引導IC制造商在開發未來RF產品時更好地為無線業界服務。

　向SoC發展
　　
　　降低無線系統的成本、功率和復雜性對于成功滿足系統集成度要求是非常重要的，然而，開發移動電話高集成度方案需要半導體業界克服復雜的技術障礙，這些障礙有些很少被設計人員所關心，因為他們很多人并不想知道SoC器件是怎么制成的，而只要能提供所需性能就行了。所以，很有必要對一些工藝技術作一個快速的了解，這些技術將影響蜂窩手機集成所用器件的能力和可用性。
　　
　　手機射頻電子系統集成有幾種可行方案。首先，可以使用傳統技術在一個相對簡單的雙極型或BiCMOS工藝中實現一個傳統射頻架構，最終的射頻芯片可以用多芯片封裝技術(系統級封裝技術)與手機數字邏輯功能組裝在一起。雖然這一技術有很多優點，如采用了熟悉的射頻設計方法和成熟的工藝和技術，但測試器件高昂的費用和成品率限制使它很難實現商用化。
　　
　　另外還有一種方法，手機電子系統集成也可用先進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額外的費用，同時因為SiGe BiCMOS技術不能利用最先進的光刻工藝，所以通常BiCMOS工藝落后于先進的數字CMOS工藝。這些都會給增加手機特性并降低成本帶來巨大的壓力，它不可能用簡單的晶圓工藝策略來解決，因為這一技術無法在所有時間保持系統邏輯或數字部分都是最低可能價位，所以在BiCMOS(或SiGe)中系統基帶功能射頻部分進行單片集成不是一個很好的選擇。
　　
　　可以考慮的最后方案是在CMOS中進行射頻集成，這一方法也面臨相當大的挑戰。雖然已經有幾種CMOS蜂窩射頻設計，但這些設計很大程度是建立在模擬功能上。用CMOS技術來實現模擬混頻器、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。隨著工藝技術的發展，CMOS額定電平越來越低，這使模擬設計更為困難。在開發新工藝早期，器件建模和工藝成熟性一般都不能滿足模擬模塊設計所需的高精度參數建模要求，不過，最近開發的數字CMOS射頻架構使單片CMOS集成變得更有吸引力。
　　
　　在制造商尋求低成本RF系統級芯片方案時，這些方案也驅動著半導體工業向前發展。盡管每種集成方案都有困難，但射頻元件集成能達到如此高的水平確實也令人感到驚訝。克服這些困難將使無線手機設計向前跨越一大步，并為不久將來更大的集成設立了方向。
　　
　　本文結論
　　
　　在RF集成方面依然有許多難題。現代手機的每一個射頻器件都面臨著嚴格的性能要求，靈敏度要求大約為-106dBm(1毫瓦以下106dB)或更高，而相應的電平只有幾個微伏；另外選擇性也即有用通道對相鄰頻段的拒絕能力(通常稱為阻塞)應為60dB數量級；此外系統振蕩器要求運行在非常低的相噪聲下，以防止折疊阻塞能量進入接收頻段。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。
　　
　　處理多頻率標準為整個SoC頻率帶來一個真正的挑戰，希望能夠減輕帶內信號傳輸產生的激勵，向數字射頻集成所包括的內容要比將多個射頻元件放在一個芯片中多得多，需要有一個硬件共享的新架構。
　　
　　對于系統設計人員來講，目前簡單、高集成度、節省成本的半導體器件能夠大大降低設計復雜性，與此同時它們又能夠豐富無線器件的特性且保持系統尺寸、電池壽命和費用不變。新的高集成度RF器件還可以消除一些無線設計中的爭論，節約工程師們寶貴的時間。