針對(duì)下一代LTE基站發(fā)射機(jī)的RF IC集成設(shè)計(jì)策略

從3G升級(jí)到LTE-Advance，對(duì)下一代移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備和器件供應(yīng)商提出了諸多挑戰(zhàn)。下一代無(wú)線設(shè)備要求支持更寬的信號(hào)帶寬、更復(fù)雜的調(diào)制方式，以便在全球范圍內(nèi)部署的各種運(yùn)行頻段上都能獲得更高的數(shù)據(jù)速率。因此，噪聲、信號(hào)線性度、功耗和外形尺寸等性能都非常關(guān)鍵，對(duì)這些性能的要求也更苛刻。此外，元器件供應(yīng)商同樣被要求降低元器件的成本和尺寸以支持更高密度的應(yīng)用。

射頻芯片(RF IC)設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)也將日益艱巨，因?yàn)榧煞桨副仨毦哂谢虺^(guò)分立元器件實(shí)現(xiàn)的性能。在采用分立元器件實(shí)現(xiàn)方案時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以分別采取不同技術(shù)(如GaAs、Si Bipolar或CMOS)進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。但對(duì)那些想通過(guò)單一工藝技術(shù)提供更高集成度的RF IC設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，選擇最佳工藝技術(shù)所面臨的最大挑戰(zhàn)是靈活性。

在基站的發(fā)送器內(nèi)，模擬I/Q調(diào)制器是決定發(fā)送信號(hào)路徑的本底噪聲和線性度的關(guān)鍵RF IC器件，不允許為降低尺寸、功耗或成本而犧牲性能。

幸運(yùn)的是，SiGe BiCMOS工藝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高集成度而又不犧牲性能。這些工藝通常能提供多種速度類別的SiGe NPN晶體管，在某些情況下還能提供一倍(更多時(shí)候是兩倍)于CMOS晶體管特征尺寸的互補(bǔ)高性能PNP晶體管。在此基礎(chǔ)上，還能增加MIM電容、薄膜電阻以及更重要的多層厚銅和鋁金屬膜。這些特性能夠幫助設(shè)計(jì)師在單芯片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)高性能的功能模塊，從而大大降低功耗、縮小體積，并保持很高的性能。



發(fā)射機(jī)板級(jí)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是用于各個(gè)上變頻和下變頻轉(zhuǎn)換電路的本振時(shí)鐘的合成和分配。基站本振時(shí)鐘的分配必須保持到PCB所有遠(yuǎn)距離位置的相位一致性，而且必須具有低的帶內(nèi)噪聲、寬帶噪聲以及總雜散噪聲。混頻器性能與驅(qū)動(dòng)它的本振性能一樣，因此高質(zhì)量的本振是提高發(fā)射機(jī)總體性能的關(guān)鍵。此外，本振信號(hào)上很小的相位噪聲或雜散分量都有可能在模擬信號(hào)路徑中引入足夠大的能量，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)不能滿足一些主要的蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)(MC-GSM、WCDMA、LTE、WiMAX)規(guī)定的雜散干擾指標(biāo)。這些標(biāo)準(zhǔn)要求的本振頻率范圍為約500MHz至接近4GHz，這意味著用于本振時(shí)鐘分配的版圖設(shè)計(jì)必須十分小心。從本振產(chǎn)生到最后終結(jié)的走線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，但如果本振合成器必須饋送到多個(gè)不同器件時(shí)，這個(gè)要求就很難滿足。一種解決方案是將公共的低頻參考時(shí)鐘饋送到每個(gè)本振附近的獨(dú)立PLL合成器，但這會(huì)占用很大的PCB面積。

通過(guò)集成先進(jìn)的小數(shù)N分頻PLL和VCO，ADRF670x系列集成式調(diào)制器解決了上述許多問(wèn)題。使用硅鍺技術(shù)能讓內(nèi)置VCO的正交調(diào)制器和混頻器的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平，并且具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的性能，而體積顯著小于外接VCO/PLL解決方案。VCO在上層厚金屬層中實(shí)現(xiàn)，可將高Q值的片上電感用作LC電路的一部分。VCO電容是用MOS開(kāi)關(guān)型MIM電容組成的，因此允許VCO在寬頻范圍內(nèi)切換頻率，并具有較低的相位噪聲。每次編程PLL頻率時(shí)都會(huì)自動(dòng)調(diào)整頻帶，因而能提供獨(dú)立和可靠的解決方案。在初始化完成后，頻帶大小的選擇要確保器件能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)正常工作。厚金屬層還用來(lái)集成具有出色反射損耗的輸出平衡不平衡轉(zhuǎn)換器(Balun)。ADRF670x系列由4個(gè)頻率參數(shù)互相重疊的成員組成，覆蓋從400MHz至3GHz的頻率范圍和頻帶，每個(gè)成員都是根據(jù)1dB和3dB通帶上的輸出Balun帶寬定義的。



ADRF670x和ADRF660x系列小數(shù)N分頻PLL設(shè)計(jì)是低相位噪聲的3G和4G應(yīng)用的理想之選。這些新的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)具有密集的信號(hào)星座，要求越來(lái)越低的本振相位噪聲以獲得足夠的性能。傳統(tǒng)的PLL合成器設(shè)計(jì)使用“整數(shù)N”架構(gòu)，其輸出頻率是鑒相器頻率的整數(shù)倍。為提供較小的頻率步進(jìn)，整數(shù)倍增因子必須非常大。大量本振相位噪聲源于參考路徑，并被PLL頻率倍增因子所放大，這將導(dǎo)致PLL輸出端產(chǎn)生很高的帶內(nèi)噪聲。小數(shù)N分頻PLL允許輸出頻率有較小的步進(jìn)，同時(shí)保持低的總倍頻值，因而與整數(shù)N分頻PLL相比，可以降低相位噪聲放大值。

鄰信道功率比(ACPR)是判斷發(fā)射信號(hào)有多少泄漏進(jìn)相鄰頻帶的一個(gè)指標(biāo)。像WCDMA等3G標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶外發(fā)送功率有嚴(yán)格限制。ADRF6702的ACPR指標(biāo)見(jiàn)圖3。調(diào)制器提供高度線性的輸出功率和低噪聲，因此在-6dBm輸出點(diǎn)有優(yōu)于-76dB的ACPR值，這有助于減少調(diào)制器后面的增益級(jí)數(shù)，并使末端功放級(jí)電路前面的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大。



ADRF670x系列器件集成了3個(gè)LDO電路，可在單5V電源下工作，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了用戶應(yīng)用、減小了成本和電路板面積。LDO用于向VCO、電荷泵以及PLL增量累加調(diào)制器提供穩(wěn)定電源，+5V電源可直接用于I-Q調(diào)制器，以使輸出功率最大。

在高密度應(yīng)用中，ADL670x可以利用PLL完成本振的內(nèi)部合成，而其它器件可以禁用它們的PLL，并使用來(lái)自某個(gè)主器件的公共本振。

ADRF670x系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于簡(jiǎn)化用戶接口，方便與ADI最新的發(fā)送數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9122和GaAs放大器(如ADL5320)的連接。(ADL5320是一個(gè)0.25瓦高線性度放大器，能夠?qū)?dBm以上功率驅(qū)動(dòng)進(jìn)最末級(jí)功放電路。)這三個(gè)尺寸緊湊的IC構(gòu)成了一個(gè)完整的有源IC器件組合，是所有下一代多載頻蜂窩無(wú)線平臺(tái)的理想之選。

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