基于大規(guī)模RF集成減少手機(jī)線路板面積和功耗的解決方案

如今的無線設(shè)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(gè)有效方法就是進(jìn)行更大規(guī)模RF集成，并向系統(tǒng)級(jí)芯片方向發(fā)展。本文介紹RF集成發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其中一些問題提出應(yīng)對(duì)方法和解決方案。

幾年以前，蜂窩手機(jī)市場還是單頻和雙頻單模手機(jī)占主導(dǎo)地位，其使用的技術(shù)僅支持一個(gè)或兩個(gè)蜂窩頻段，在所有支持頻段中采用相同的調(diào)制方法、多路訪問方案和協(xié)議。相比而言，今天的新一代蜂窩電話設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，能提供多頻段、多模式支持，具有藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、GPS定位等功能，而且超寬帶和電視接收功能已經(jīng)開始出現(xiàn)，此外像游戲、圖像、音頻和視頻等應(yīng)用在手機(jī)中也已變成非常普遍。

無線電話正在成為所謂的手持個(gè)人娛樂中心這樣一種復(fù)雜設(shè)備，其發(fā)展趨勢對(duì)設(shè)計(jì)人員不斷帶來更多挑戰(zhàn)。雖然相比于只有語音功能的手機(jī)而言，新一代手機(jī)在通信處理、應(yīng)用處理、射頻接口數(shù)量以及集成存儲(chǔ)器容量等方面都有了大幅增長，但用戶仍期盼手機(jī)具有更小體積、流線型外形和低價(jià)位，而且要有大的彩色顯示屏，能提供與傳統(tǒng)語音手機(jī)相似的待機(jī)和通話時(shí)間。保持現(xiàn)有的外形尺寸和功耗，卻要使功能呈指數(shù)倍增長，同時(shí)還要維持總體系統(tǒng)成本不變，這些都給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了大量的難題。

顯然，問題涉及整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)部分，以及所有無線通信和娛樂內(nèi)容的供應(yīng)商們。在減少線路板面積和功耗方面特別有效的一個(gè)領(lǐng)域是無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的RF部分，這是因?yàn)樵诮裉斓湫偷囊苿?dòng)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(jù)了整個(gè)線路板面積的30?40%，增加諸如藍(lán)牙、GPS和WLAN之類的射頻系統(tǒng)還會(huì)極大增加對(duì)空間的要求。

解決方案是進(jìn)行更大規(guī)模的RF集成，并最后發(fā)展成為完全集成的系統(tǒng)級(jí)芯片。有些設(shè)計(jì)人員將模數(shù)轉(zhuǎn)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(dāng)半導(dǎo)體集成技術(shù)在單個(gè)器件中能集成更多功能時(shí)，分立器件數(shù)目及用來容納這些器件的線路板空間就都相應(yīng)減少了。隨著業(yè)界向系統(tǒng)級(jí)芯片集成發(fā)展，設(shè)計(jì)人員還將不斷發(fā)現(xiàn)新技術(shù)，以滿足小型無線設(shè)備中更高RF復(fù)雜性和延長電池壽命這兩者之間的矛盾。

RF集成發(fā)展現(xiàn)狀

RF集成一個(gè)重要的發(fā)展出現(xiàn)在大約三年以前，當(dāng)時(shí)RF技術(shù)和數(shù)字基帶調(diào)制解調(diào)器的發(fā)展使得在無線手機(jī)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(jí)混頻器、濾波器和多個(gè)電壓控制振蕩器(VCO)，已經(jīng)很好地應(yīng)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(shù)。在上世紀(jì)九十年代后期，一個(gè)典型的單頻段超外差RF子系統(tǒng)包括PA、天線開關(guān)、LDO、小信號(hào)RF和VCTCXO，需要大約200個(gè)分立器件；今天，我們能夠設(shè)計(jì)一個(gè)具有四頻段功能的直接變頻系統(tǒng)，集成了VCO、VCXO和PLL回路濾波器，而它的元件數(shù)卻少于50個(gè)。

如德州儀器用于GSM的收發(fā)器TRF6151(圖1)，集成在上面的功能包括片上電壓調(diào)節(jié)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(duì)于設(shè)計(jì)人員來講，先進(jìn)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(gè)是收發(fā)器的DC電源及其調(diào)節(jié)。在通話時(shí)，隨著溫度和時(shí)間變化，電池電壓會(huì)變化，此外，來自TX VCO和RX VCO電源的噪聲耦合也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，因而設(shè)計(jì)人員面臨著如何解決射頻線路板調(diào)節(jié)器和大多數(shù)相關(guān)無源元件的問題。將這些器件集成在射頻收發(fā)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(shè)計(jì)，也節(jié)省了線路板空間。

RF設(shè)計(jì)人員面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是VCO調(diào)諧范圍和鎖定時(shí)間。在所有模擬VCO設(shè)計(jì)中。因?yàn)槌３Ｐ枰獙?duì)鎖定時(shí)間和調(diào)諧范圍進(jìn)行平衡，所以回路濾波器一般放在芯片外部。有時(shí)候，這可以在VCO調(diào)諧范圍的軟件控制中解決，然而這個(gè)方法對(duì)電話整體開發(fā)提出了額外的資源要求。當(dāng)數(shù)字調(diào)諧功能包括在VCO中且能提供自校準(zhǔn)時(shí)，就可得到一個(gè)擴(kuò)展的調(diào)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(shè)計(jì)工程師簡化他們的工作。

為獲得GSM系統(tǒng)所需的發(fā)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(dá)幾千個(gè)數(shù)字CMOS門組成，制作在PAM內(nèi)一個(gè)獨(dú)立的芯片中，該元件會(huì)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(shù)字CMOS電路和將它們裝入PAM中，對(duì)于一個(gè)每月生產(chǎn)成千上萬產(chǎn)品的OEM來講，去掉這個(gè)多余的元件將大大降低他們的成本。

先進(jìn)集成能帶來實(shí)質(zhì)性節(jié)約的另一個(gè)領(lǐng)域是VCXO。在過去，要購買昂貴的VCTCXO模塊作為分立元件設(shè)計(jì)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(fèi)用和相關(guān)設(shè)計(jì)問題，利用TRF6151僅需要一個(gè)低價(jià)位的晶體和變?nèi)荻O管就能完成VCTCXO的功能。

雖然有了這些集成和設(shè)計(jì)簡化，RF設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中所用的電流越大，總體噪聲特性就越低。設(shè)計(jì)工程師必須判定接收器的總功率預(yù)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(shí)上正好相反。所以雖然能滿足GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計(jì)人員也必須經(jīng)常問自己，為達(dá)到某個(gè)靈敏度水平而在功耗上付出代價(jià)是否值得。這個(gè)問題也說明對(duì)設(shè)計(jì)工程師和IC制造商來講為什么在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中密切配合非常必要，從設(shè)計(jì)工程師處得到的反饋能夠引導(dǎo)IC制造商在開發(fā)未來RF產(chǎn)品時(shí)更好地為無線業(yè)界服務(wù)。

向SoC發(fā)展

降低無線系統(tǒng)的成本、功率和復(fù)雜性對(duì)于成功滿足系統(tǒng)集成度要求是非常重要的，然而，開發(fā)移動(dòng)電話高集成度方案需要半導(dǎo)體業(yè)界克服復(fù)雜的技術(shù)障礙，這些障礙有些很少被設(shè)計(jì)人員所關(guān)心，因?yàn)樗麄兒芏嗳瞬⒉幌胫繱oC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(duì)一些工藝技術(shù)作一個(gè)快速的了解，這些技術(shù)將影響蜂窩手機(jī)集成所用器件的能力和可用性。

手機(jī)射頻電子系統(tǒng)集成有幾種可行方案。首先，可以使用傳統(tǒng)技術(shù)在一個(gè)相對(duì)簡單的雙極型或BiCMOS工藝中實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳統(tǒng)射頻架構(gòu)，最終的射頻芯片可以用多芯片封裝技術(shù)(系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù))與手機(jī)數(shù)字邏輯功能組裝在一起。雖然這一技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，如采用了熟悉的射頻設(shè)計(jì)方法和成熟的工藝和技術(shù)，但測試器件高昂的費(fèi)用和成品率限制使它很難實(shí)現(xiàn)商用化。