大规模RF集成可减少手机线路板面积和功耗

大规模RF集成可减少手机线路板面积和功耗

　如今的无线设备中，线路板上一半以上的元件都是模拟RF器件，因此要缩小线路板面积和功耗一个有效方法就是进行更大规模RF集成，并向系统级芯片方向发展。本文介绍RF集成发展现状，并对其中一些问题提出应对方法和解决方案。
　　
　　几年以前，蜂窝手机市场还是单频和双频单模手机占主导地位，其使用的技术仅支持一个或两个蜂窝频段，在所有支持频段中采用相同的调制方法、多路访问方案和协议。相比而言，今天的新一代蜂窝电话设计要复杂得多，能提供多频段、多模式支持，具有蓝牙个人区域网络、GPS定位等功能，而且超宽带和电视接收功能已经开始出现，此外像游戏、图像、音频和视频等应用在手机中也已变成非常普遍。
　　
　　无线电话正在成为所谓的手持个人娱乐中心这样一种复杂设备，其发展趋势对设计人员不断带来更多挑战。虽然相比于只有语音功能的手机而言，新一代手机在通信处理、应用处理、射频接口数量以及集成存储器容量等方面都有了大幅增长，但用户仍期盼手机具有更小体积、流线型外形和低价位，而且要有大的彩色显示屏，能提供与传统语音手机相似的待机和通话时间。保持现有的外形尺寸和功耗，却要使功能呈指数倍增长，同时还要维持总体系统成本不变，这些都给系统设计人员提出了大量的难题。
　　
　　显然，问题涉及整个系统设计的各个部分，以及所有无线通信和娱乐内容的供应商们。在减少线路板面积和功耗方面特别有效的一个领域是无线系统设计的RF部分，这是因为在今天典型的移动电话中，线路板上的元件有一半以上是模拟RF元件，这些元件加在一起占据了整个线路板面积的30?40%，增加诸如蓝牙、GPS和WLAN之类的射频系统还会极大增加对空间的要求。
　　
　　解决方案是进行更大规模的RF集成，并最后发展成为完全集成的系统级芯片。有些设计人员将模数转换器放到天线中，使射频功能所需总线路板空间为之减少，当半导体集成技术在单个器件中能集成更多功能时，分立器件数目及用来容纳这些器件的线路板空间就都相应减少了。随着业界向系统级芯片集成发展，设计人员还将不断发现新技术，以满足小型无线设备中更高RF复杂性和延长电池寿命这两者之间的矛盾。
　　
　　RF集成发展现状
　　
　　RF集成一个重要的发展出现在大约三年以前，当时RF技术和数字基带调制解调器的发展使得在无线手机中用直接下变频接收器替代超外差射频器件成为可能。超外差射频器件使用多级混频器、滤波器和多个电压控制振荡器(VCO)，已经很好地应用了多年，但直接变频射频器件的集成度能够大大减少GSM RF总体元件数。在上世纪九十年代后期，一个典型的单频段超外差RF子系统包括PA、天线开关、LDO、小信号RF和VCTCXO，需要大约200个分立器件；今天，我们能够设计一个具有四频段功能的直接变频系统，集成了VCO、VCXO和PLL回路滤波器，而它的元件数却少于50个。

　　
　　如德州仪器用于GSM的收发器TRF6151(图1)，集成在上面的功能包括片上电压调节器、VCO和VCO槽路、PA功率控制、PLL回路滤波器EDGE阻塞器检测、LNA增益分步控制及VCXO。
　　
　　对于设计人员来讲，先进的集成有助于克服无线RF中一些大的难题，其中最基本的一个是收发器的DC电源及其调节。在通话时，随着温度和时间变化，电池电压会变化，此外，来自TX VCO和RX VCO电源的噪声耦合也会影响整个系统的性能，因而设计人员面临着如何解决射频线路板调节器和大多数相关无源元件的问题。将这些器件集成在射频收发器中意味着唯一所需的外部元件就是简单的去耦电容，这种直接与电源相连的特性不仅简化了设计，也节省了线路板空间。
　　
　　RF设计人员面临的另一个挑战是VCO调谐范围和锁定时间。在所有模拟VCO设计中。因为常常需要对锁定时间和调谐范围进行平衡，所以回路滤波器一般放在芯片外部。有时候，这可以在VCO调谐范围的软件控制中解决，然而这个方法对电话整体开发提出了额外的资源要求。当数字调谐功能包括在VCO中且能提供自校准时，就可得到一个扩展的调谐范围，回路滤波器元件就能放在芯片中。显然，这一方案可使设计工程师简化他们的工作。
　　
　　为获得GSM系统所需的发送器功率控制，PA制造商一般都将这一功能包括在功率放大器模块(PAM)中。功率控制器通常由多达几千个数字CMOS门组成，制作在PAM内一个独立的芯片中，该元件会使PAM的成本增加0.30?0.40美元。把这一功能集成到射频器件中将使GaAsPAM制造商不必采购数字CMOS电路和将它们装入PAM中，对于一个每月生产成千上万产品的OEM来讲，去掉这个多余的元件将大大降低他们的成本。
　　
　　先进集成能带来实质性节约的另一个领域是VCXO。在过去，要购买昂贵的VCTCXO模块作为分立元件设计在射频器件中，所以将VCTCXO模块常用元件并入射频器件中能减少费用和相关设计问题，利用TRF6151仅需要一个低价位的晶体和变容二极管就能完成VCTCXO的功能。
　　
　　虽然有了这些集成和设计简化，RF设计工程师依然面临着困难的抉择，其中之一是输入灵敏度和RX功耗。众所周知，低噪声放大器(LNA)设计中所用的电流越大，总体噪声特性就越低。设计工程师必须判定接收器的总功率预算，以及接收器灵敏度水平要求。但是噪声并不随功率减少而减少，事实上正好相反。所以虽然能满足GSM标准规范，设计人员也必须经常问自己，为达到某个灵敏度水平而在功耗上付出代价是否值得。这个问题也说明对设计工程师和IC制造商来讲为什么在整个设计过程中密切配合非常必要，从设计工程师处得到的反馈能够引导IC制造商在开发未来RF产品时更好地为无线业界服务。

　向SoC发展
　　
　　降低无线系统的成本、功率和复杂性对于成功满足系统集成度要求是非常重要的，然而，开发移动电话高集成度方案需要半导体业界克服复杂的技术障碍，这些障碍有些很少被设计人员所关心，因为他们很多人并不想知道SoC器件是怎么制成的，而只要能提供所需性能就行了。所以，很有必要对一些工艺技术作一个快速的了解，这些技术将影响蜂窝手机集成所用器件的能力和可用性。
　　
　　手机射频电子系统集成有几种可行方案。首先，可以使用传统技术在一个相对简单的双极型或BiCMOS工艺中实现一个传统射频架构，最终的射频芯片可以用多芯片封装技术(系统级封装技术)与手机数字逻辑功能组装在一起。虽然这一技术有很多优点，如采用了熟悉的射频设计方法和成熟的工艺和技术，但测试器件高昂的费用和成品率限制使它很难实现商用化。
　　
　　另外还有一种方法，手机电子系统集成也可用先进BiCMOS(SiGe)晶圆工艺得到。然而由于处理SiGe HBT器件需要额外的光刻工序，因此最后的芯片将需要一个额外的费用，同时因为SiGe BiCMOS技术不能利用最先进的光刻工艺，所以通常BiCMOS工艺落后于先进的数字CMOS工艺。这些都会给增加手机特性并降低成本带来巨大的压力，它不可能用简单的晶圆工艺策略来解决，因为这一技术无法在所有时间保持系统逻辑或数字部分都是最低可能价位，所以在BiCMOS(或SiGe)中系统基带功能射频部分进行单片集成不是一个很好的选择。
　　
　　可以考虑的最后方案是在CMOS中进行射频集成，这一方法也面临相当大的挑战。虽然已经有几种CMOS蜂窝射频设计，但这些设计很大程度是建立在模拟功能上。用CMOS技术来实现模拟混频器、滤波器和放大器是很困难的，而且功耗一般要大于SiGe BiCMOS方案。随着工艺技术的发展，CMOS额定电平越来越低，这使模拟设计更为困难。在开发新工艺早期，器件建模和工艺成熟性一般都不能满足模拟模块设计所需的高精度参数建模要求，不过，最近开发的数字CMOS射频架构使单片CMOS集成变得更有吸引力。
　　
　　在制造商寻求低成本RF系统级芯片方案时，这些方案也驱动着半导体工业向前发展。尽管每种集成方案都有困难，但射频元件集成能达到如此高的水平确实也令人感到惊讶。克服这些困难将使无线手机设计向前跨越一大步，并为不久将来更大的集成设立了方向。
　　
　　本文结论
　　
　　在RF集成方面依然有许多难题。现代手机的每一个射频器件都面临着严格的性能要求，灵敏度要求大约为-106dBm(1毫瓦以下106dB)或更高，而相应的电平只有几个微伏；另外选择性也即有用通道对相邻频段的拒绝能力(通常称为阻塞)应为60dB数量级；此外系统振荡器要求运行在非常低的相噪声下，以防止折叠阻塞能量进入接收频段。由于涉及到非常高的频率和极苛刻的性能要求，射频集成是非常困难的。
　　
　　处理多频率标准为整个SoC频率带来一个真正的挑战，希望能够减轻带内信号传输产生的激励，向数字射频集成所包括的内容要比将多个射频元件放在一个芯片中多得多，需要有一个硬件共享的新架构。
　　
　　对于系统设计人员来讲，目前简单、高集成度、节省成本的半导体器件能够大大降低设计复杂性，与此同时它们又能够丰富无线器件的特性且保持系统尺寸、电池寿命和费用不变。新的高集成度RF器件还可以消除一些无线设计中的争论，节约工程师们宝贵的时间。