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無線通訊系統和手機的射頻整合策略

上網時間: 2004年02月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Bluetooth  藍芽  Integration  整合  multichip package 

低頻和高頻RF無線系統的整合具有很大差異。在高頻段,由於CMOS製程能實現的頻寬高於雙載子製程,因而是RF電路首選製程,通常RF-CMOS不會與數位CMOS整合在同一個晶片上。在低頻段最重要的系統是蜂巢式通訊系統,該類系統的RF功能整合的重點在於被動元件的整合。本文介紹了透過多片封裝或模組實現被動元件與RF主動元件整合的策略。

資訊在通訊系統的兩點傳輸過程中,射頻功能扮演了重要角色。在這類系統中,RF功能通常與其它功能在實體上分離,RF發射與接收一般是由不同的IC來實現。為減少系統尺寸並降低成本,人們不斷探索將RF與系統其它功能整合的方法,其中特別是DSP技術的發展產生了十分重要的影響。除了這種RF與非RF整合的發展趨勢外,RF元件本身還有其它整合發展趨勢。這些不同的發展趨勢是因為不同系統需要不同的技術來實現所需要的RF功能。例如,在將接收訊號傳遞到低噪音放大器(LNA)之前,有些系統要求對訊號進行有效濾波,這需要採用陶瓷濾波器或聲表面波(SAW)濾波器來對接收訊號濾波,但這些濾波器都不能整合在接收器IC中。

低頻與高頻系統的區別

低頻與高頻系統之間的一個重要區別是,後者只能在發射器與接收器之間不存在阻擋的情況下才能實現訊號傳輸,而低頻系統沒有這樣的要求,因此能實現更大的覆蓋面積。低頻和高頻之間並沒有明顯的分界點,其過度頻率在2-5GHz之間,並取決於系統特性,例如發射器輸出功率和接收器靈敏度。本文以2.4GHz作為高低頻率的轉換點。高頻系統還可以分為長距離系統和短距離系統。長距離系統如雷達、衛星鏈路、基地台鏈路、固定無線寬頻接取(FWBA)等,這些系統要求的發射功率都高於短距離系統,如藍芽和802.11a/b等。

高頻RF整合

短距離無線通訊系統的目標市場是消費電子市場,因而要求尺寸小且成本低,並且隨著數據傳輸視訊流的應用需求成長,數據傳輸速率將不斷增加。這些系統基本上都是可攜式電池供電的產品,要求長的待機和通話時間。

由於工作在高頻段的發射器較少,因此高頻率系統(高於2.4GHz)可以實現高頻寬和適中的接收器選擇特性。同樣,接收器的訊息噪音比(S/N)很高,因而發射器的輸出功率可以較低。例如,802.11b在2.4GHz時具有11Mbps的頻寬,802.11a在5GHz下可以高達54Mbps。採用更寬的波段或更複雜的調變方法要求更嚴格的訊號線性度,而線性度與發射器緊密相關。

系統採用的製程技術與所能實現的工作頻率有關,圖1為CMOS和BiCOS所能實現的工作頻率發展比較。假設fmax與能得到的工作頻率直接相關,很明顯CMOS是比較好的選擇。此外,CMOS還能滿足不嚴格的選擇性、訊息噪音比和輸出功率要求,但由於工作電壓低而使動態性能降低。然而,由於很多系統工作於開放頻段上,這樣在發射器和接收器之間將可能有很多發射設備互相干擾,如微波爐干擾藍芽通訊就是一個典型實例。

儘管CMOS在高頻具有這些優勢,但BiCMOS技術具有雙載子技術的RF模型、電晶體參數匹配的優點,而且BiCMOS設計經驗更豐富。在製程選擇上尺寸並不是主要考慮因素,因為0.18um CMOS或BiCMOS製程實現藍芽收發器功能的晶片尺寸相近。

如果選擇CMOS製程,標準數位CMOS將是發展趨勢,由於這些數位CMOS本身已經採用了多層光罩製程,因此將不會再增加其它選項。數位功能將佔據最大的晶片面積,因此主要的成本將產生在這些數位功能部份。

使用主流CMOS製程將數位電路和RF功能整合在單塊晶片上還有意義嗎?這個問題需要從兩個方面來考慮:從技術角度看,採用為實現RF功能而改進的標準CMOS是可能的,如高阻抗基底減少通過基底的串擾,採用厚介質來實現被動元件的高品質因素等;從整合的角度看,將標準CMOS應用於射頻以及在一個晶片上整合數位和RF功能沒有太多的好處,因為數位和RF的模型和庫有著根本上的不同。數位電路經常用VHDL/Verilog語言設計,CMOS技術的數位庫通常在新技術出現之前就已實現,這些數位庫一代一代地使用,因此設計工程師可以在下一代製程發佈之前進行數位設計。

對於RF設計而言,只有在製程出現後才可能有模型和庫,因此RF元件具有其獨特的特點。由於RF功能一般沒有1:1的可再使用模組,因此每個新元件幾乎必須從零開始開發。RF庫通常落後於數位庫1-2年,使用主流CMOS製程來實現RF功能,意味著在製程上將落後一代。因此,在一個晶片上整合數位和RF功能意味著將採用上一代CMOS製程來實現數位功能,而通常實現成本更高。而且,被動元件(電感)和RF/類比功能並不能真正隨著CMOS製程技術同步發展,因此,RF部份所佔面積相對於數位部份將隨不同的技術代而增加。

在單晶片上整合數位和RF功能的其它困難還有:


1. 必須控制數位和RF部份之間通過基底產生的串擾;


2. 採用高級CMOS製程的光罩成本很高,而將數位和RF整合由於RF設計原因必然會導致很多次的設計迴圈,將導致成本增加;


3. RF IC產量通常由設計所決定,數位IC由參數決定,因而整合數位和RF功能的積體電路的產量將低於數位IC;


4. 數位CMOS封裝產生的高接腳電感將降低RF效率。

從技術上講,短距離高頻系統的最佳解決方法是採用多晶片封裝和模組,其中數位和RF功能採用獨立的IC和BiCMOS製程來實現。這些方案對於那些既具有設計能力又有生產封裝能力的廠商來說是可行的,但是,多晶片封裝,尤其是模組對於那些依靠代工廠的無晶圓廠來說並不容易實現。因此,這些公司將可能向在單片上整合數位和RF功能的方向發展。

無線系統還需要天線和用於波段選擇的切換元件、Tx-Rx切換和天線分集,如圖2的CDMA RF前端功能框圖所示。為了嵌入這些元件,通常採用多片封裝的方式而非模組整合。

低頻整合

對於2.4GHz以下的應用,蜂巢式系統是最廣泛和最重要的應用。蜂巢式手機要求成本低和尺寸小,需要更高的整合度。此外,蜂巢式系統具有嚴格的性能和成本等要求,所使用的零組件種類很多。

蜂巢式系統的接收器端需要高靈敏度和選擇性,一般採用一個接收濾波器,如聲表面波(SAW)濾波器來實現;採用低噪音放大器(LNA)來實現大的訊息噪音比,其中的電感器用於發射器以實現噪音和增益匹配之間的最佳平衡,通常將這種LNA功能整合在單晶片收發器IC上;基頻功能總是在主流CMOS IC中實現;收發器功能傳統上是採用BiCMOS製程,但是CMOS製程正引起越來越的關注。同時,多頻帶/系統整合也在不斷發展。

另一個挑戰是發送(TX)路徑,這些全向非點對點傳輸系統要求24-33dBm的高輸出功率。從易用性、效率和性能上來看,功放(PA)功能選擇的技術是矽(Si)雙載子或GaAs HBT(Si LDMOS)。在最後的放大器級之後,需要一個低損耗輸出匹配電路,因為該電路在技術上難以實現整合。該功能經常與分離表面安裝元件一起部份地整合,或透過特殊的低成本被動整合(PI)晶片來實現。

低頻整合所使用的技術包括PA用的GaAs HBT,PA驅動器用Si BiCMOS,用於輸出匹配的偏置級和功率控制迴路的Si PI晶片。現在的手機是多頻帶和多模式,需要在PA、接收通道和天線之間有大量的切換和濾波功能。開關元件通常是採用GaAs pHEMT或p-i-n二極體以及RF-MEMS來實現。雙工濾波器(RX-TX分開),用於波段選擇的同向雙工濾波器和諧波濾波器組成天線的被動前端部份。多波段PA模組之後的前端整合TX-FE模組。

在被動前端之後全部是無線模組,該模組加入了收發器功能。把所有這些技術以更高性價比整合在蜂巢式系統?極富挑戰性。收發器功能(包括LNA)可以採用片上系統實現,但接收濾波器仍需要放在晶片之外,PA和RF前端通常不能放在一個晶片上。一般而言,挑戰來自於被動元件和多技術封裝,一般選擇在LTCC或有機基底上的模組整合。

減少被動元件和推動被動整合的一個關鍵技術是PASSI技術。採用該技術可以實現145pF/mm2和4%(3σ)的電容器精密度,電感的Q因子超過50。該技術還可以作為橫向整合p-i-n二極體、高密度電容器和將來的MEMS可變電容器和開關的平台。另一個相關的技術發展是體聲波(BAW)技術,該技術能夠替代濾波器中的陶瓷和SAW技術。BAW技術可以有幾種實現方法,其中一种如圖3所示。

採用SAW技術的優勢是性能、損耗、熱特性、尺寸和成本,特別是在高於1GHz的頻率時,SAW技術要求使用次微米微影。由於採用次微米結構,在2GHz以上SAW濾波器的損耗將迅速增加,但BAW技術至少可以在高達10GHz的頻率下應用。由於增加了額外的光罩和合格率相關的成本問題,在BiCMOS製程上採用BAW技術可能並不具有太多的優勢。

將RF功能和完整的系統解決方案外包正成為一種新的商業模式,上面談到的前端整合化趨勢將進一步發展,未來將涉及基頻和功率控制迴路、匹配、RF切換和濾波器等,提供一個完整的RF系統解決方案。當這些功能完全成熟,且OEM廠商接受這種產品後,這種完整系統方案將大量應用。上面所述的前端整合的發展趨勢還將延伸到基頻和電源管理領域。

作者: F. van Straten


RF產品開發部高級主管


飛利浦半導體公司


Email: freek.van.straten@philips.com




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