低頻和高頻RF無線系統(tǒng)的集成差異

低頻和高頻RF無線系統(tǒng)的集成具有很大差異。在高頻段，由于CMOS工藝能實(shí)現(xiàn)的帶寬高于雙極工藝，因而是RF電路首選工藝，通常RF-CMOS不會(huì)與數(shù)字CMOS集成在同一個(gè)芯片上。在低頻段最重要的系統(tǒng)是蜂窩通信系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的RF功能集成的重點(diǎn)在于無源元件的集成。本文介紹了通過多片封裝或模塊實(shí)現(xiàn)無源元件與RF有源元件集成的策略。

信息在通信系統(tǒng)的兩點(diǎn)傳輸過程中，射頻功能扮演了重要角色。在這類系統(tǒng)中，RF功能通常與其它功能在物理上分離，RF發(fā)射與接收一般是由不同的IC來實(shí)現(xiàn)。為減小系統(tǒng)尺寸并降低成本，人們不斷探索將RF與系統(tǒng)其它功能集成的方法，其中特別是DSP技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了十分重要的影響。除了這種RF與非RF集成的發(fā)展趨勢外，RF器件本身還有其它集成發(fā)展趨勢。這些不同的發(fā)展趨勢是因?yàn)椴煌到y(tǒng)需要不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)所需要的RF功能。例如，在將接收信號(hào)傳遞到低噪聲放大器(LNA)之前，有些系統(tǒng)要求對信號(hào)進(jìn)行有效濾波，這需要采用陶瓷濾波器或聲表面波(SAW)濾波器來對接收信號(hào)濾波，但這些濾波器都不能集成到接收器IC中。

低頻與高頻系統(tǒng)的區(qū)別

低頻與高頻系統(tǒng)之間的一個(gè)重要區(qū)別是，后者只能在發(fā)射器與接收器之間不存在阻擋的情況下才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，而低頻系統(tǒng)沒有這樣的要求，因此能實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋面積。低頻和高頻之間并沒有明顯的分界點(diǎn)，其過度頻率在2-5GHz之間，并取決于系統(tǒng)特性，例如發(fā)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(zhuǎn)換點(diǎn)。高頻系統(tǒng)還可以分為長距離系統(tǒng)和短距離系統(tǒng)。長距離系統(tǒng)如雷達(dá)、衛(wèi)星鏈路、基站鏈路、固定無線寬帶接入(FWBA)等，這些系統(tǒng)要求的發(fā)射功率都高于短距離系統(tǒng)，如藍(lán)牙和802.11a/b等。

高頻RF集成

短距離無線通信系統(tǒng)的目標(biāo)市場是消費(fèi)電子市場，因而要求尺寸小且成本低，并且隨著通過數(shù)據(jù)傳輸視頻流的應(yīng)用需求增長，數(shù)據(jù)傳輸速率將不斷增加。這些系統(tǒng)基本上都是便攜式電池供電的產(chǎn)品，要求長的待機(jī)和通話時(shí)間。

由于工作在高頻段的發(fā)射器較少，因此高頻率系統(tǒng)(高于2.4GHz)可以實(shí)現(xiàn)高帶寬和適中的接收器選擇特性。同樣，接收器的信噪比(S/N)很高，因而發(fā)射器的輸出功率可以較低。例如，802.11b在2.4GHz時(shí)具有11Mbps的帶寬，802.11a在5GHz下可以高達(dá)54Mbps。采用更寬的波段或更復(fù)雜的調(diào)制方法要求更嚴(yán)格的信號(hào)線性度，而線性度與發(fā)射器緊密相關(guān)。

圖1為CMOS和BiCOS所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較

系統(tǒng)采用的工藝技術(shù)與所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率有關(guān)，圖1為CMOS和BiCOS所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較。假設(shè)fmax與能得到的工作頻率直接相關(guān)，很明顯CMOS是比較好的選擇。此外，CMOS還能滿足不嚴(yán)格的選擇性、信噪比和輸出功率要求，但由于工作電壓低而使動(dòng)態(tài)性能降低。然而，由于很多系統(tǒng)工作于開放頻段上，這樣在發(fā)射器和接收器之間將可能有很多發(fā)射設(shè)備互相干擾，如微波爐干擾藍(lán)牙通訊就是一個(gè)典型實(shí)例。

盡管CMOS在高頻具有這些優(yōu)勢，但BiCMOS技術(shù)具有雙極技術(shù)的RF模型、晶體管參數(shù)匹配的優(yōu)點(diǎn)，而且BiCMOS設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)更豐富。在工藝選擇上尺寸并不是主要考慮因素，因?yàn)?.18um CMOS或BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙收發(fā)器功能的芯片尺寸相近。

如果選擇CMOS工藝，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS將是發(fā)展趨勢，由于這些數(shù)字CMOS本身已經(jīng)采用了多層掩模工藝，因此將不會(huì)再增加其它選項(xiàng)。數(shù)字功能將占據(jù)最大的芯片面積，因此主要的成本將產(chǎn)生在這些數(shù)字功能部分。

使用主流CMOS工藝將數(shù)字電路和RF功能集成在單塊芯片上還有意義嗎?這個(gè)問題需要從兩個(gè)方面來考慮：從技術(shù)角度看，采用為實(shí)現(xiàn)RF功能而改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS是可能的，如高阻抗基底減少通過基底的串?dāng)_，采用厚介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)無源元件的高品質(zhì)因素等;從集成的角度看，將標(biāo)準(zhǔn)CMOS應(yīng)用于射頻以及在一個(gè)芯片上集成數(shù)字和RF功能沒有太多的好處，因?yàn)閿?shù)字和RF的模型和庫有著根本上的不同。數(shù)字電路經(jīng)常用VHDL/Verilog語言設(shè)計(jì)，CMOS技術(shù)的數(shù)字庫通常在新技術(shù)出現(xiàn)之前就已實(shí)現(xiàn)，這些數(shù)字庫一代一代地使用，因此設(shè)計(jì)工程師可以在下一代工藝發(fā)布之前進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)。

對于RF設(shè)計(jì)而言，只有在工藝出現(xiàn)后才可能有模型和庫，因此RF器件具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。由于RF功能一般沒有1:1的可再使用模塊，因此每個(gè)新器件幾乎必須從零開始開發(fā)。RF庫通常落后于數(shù)字庫1-2年，使用主流CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)RF功能，意味著在工藝上將落后一代。因此，在一個(gè)芯片上集成數(shù)字和RF功能意味著將采用上一代CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)數(shù)字功能，而通常實(shí)現(xiàn)成本更高。而且，無源元件(電感)和RF/模擬功能并不能真正隨著CMOS工藝技術(shù)同步發(fā)展，因此，RF部分所占面積相對于數(shù)字部分將隨不同的技術(shù)代而增加。

在單芯片上集成數(shù)字和RF功能的其它困難還有：

1. 必須控制數(shù)字和RF部分之間通過基底產(chǎn)生的串?dāng)_;

2. 采用高級CMOS工藝的掩膜成本很高，而將數(shù)字和RF集成由于RF設(shè)計(jì)的原因必然會(huì)導(dǎo)致很多次的設(shè)計(jì)迭代，將導(dǎo)致成本增加;

3. RF IC產(chǎn)量通常由設(shè)計(jì)所決定，數(shù)字IC由參數(shù)決定，因而集成數(shù)字和RF功能的集成電路的產(chǎn)量將低于數(shù)字IC;

4. 數(shù)字CMOS封裝產(chǎn)生的高引腳電感將降低RF效率。

從技術(shù)上講，短距離高頻系統(tǒng)的最佳解決方法是采用多芯片封裝和模塊，其中數(shù)字和RF功能采用獨(dú)立的IC和BiCMOS工藝來實(shí)現(xiàn)。這些方案對于那些既具有設(shè)計(jì)能力又有生產(chǎn)封裝能力的廠商來說是可行的，但是，多芯片封裝，尤其是模塊對于那些依靠代工廠的無晶圓廠來說并不容易實(shí)現(xiàn)。因此，這些公司將可能向在單片上集成數(shù)字和RF功能的方向發(fā)展。

圖2 CDMA RF前端功能框圖所示

無線系統(tǒng)還需要天線和用于波段選擇的切換器件、Tx-Rx切換和天線分集，如圖2的CDMA RF前端功能框圖所示。為了嵌入這些器件，通常采用多片封裝的方式而非模塊集成。

低頻集成

對于2.4GHz以下的應(yīng)用，蜂窩系統(tǒng)是最廣泛和最重要的應(yīng)用。蜂窩手機(jī)要求成本低和尺寸小，需要更高的集成度。此外，蜂窩系統(tǒng)具有嚴(yán)格的性能和成本等要求，所使用的元器件種類很多。

蜂窩系統(tǒng)的接收器端需要高靈敏度和選擇性，一般采用一個(gè)接收濾波器，如聲表面波(SAW)濾波器來實(shí)現(xiàn);采用低噪聲放大器(LNA)來實(shí)現(xiàn)大的信噪比，其中的電感器用于發(fā)射器以實(shí)現(xiàn)噪聲和增益匹配之間的最佳平衡，通常將這種LNA功能集成在單芯片收發(fā)器IC上;基帶功能總是在主流CMOS IC中實(shí)現(xiàn);收發(fā)器功能傳統(tǒng)上是采用BiCMOS工藝，但是CMOS工藝正引起越來越的關(guān)注。同時(shí)，多頻帶/系統(tǒng)集成也在不斷發(fā)展。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是發(fā)送(TX)路徑，這些全向非點(diǎn)對點(diǎn)傳輸系統(tǒng)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(shù)是硅(Si)雙極或GaAs HBT(Si LDMOS)。在最后的放大器級之后，需要一個(gè)低損耗輸出匹配電路，因?yàn)樵撾娐吩诩夹g(shù)上難以實(shí)現(xiàn)集成。該功能經(jīng)常與分立表面貼裝器件一起部分地集成，或通過特殊的低成本無源集成(PI)芯片來實(shí)現(xiàn)。

圖3

低頻集成所使用的技術(shù)包括PA用的GaAs HBT，PA驅(qū)動(dòng)器用Si BiCMOS，用于輸出匹配的偏置級和功率控制環(huán)路的Si PI芯片?，F(xiàn)在的手機(jī)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(guān)器件通常是采用GaAs pHEMT或p-i-n二極管以及RF-MEMS來實(shí)現(xiàn)。雙工濾波器(RX-TX分開)，用于波段選擇的同向雙工濾波器和諧波濾波器組成天線的無源前端部分。多波段PA模塊之后的前端集成TX-FE模塊。

在無源前端之后全部是無線模塊，該模塊加入了收發(fā)器功能。把所有這些技術(shù)以更高性價(jià)比集成到蜂窩系統(tǒng)里極富挑戰(zhàn)性。收發(fā)器功能(包括LNA)可以采用片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但接收濾波器仍需要放在芯片之外，PA和RF前端通常不能放在一個(gè)芯片上。一般而言，挑戰(zhàn)來自于無源元件和多技術(shù)封裝，一般選擇在LTCC或有機(jī)基底上的模塊集成。

減少無源元件和推動(dòng)無源集成的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是PASSI技術(shù)。采用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)145pF/mm2和4%(3σ)的電容器精度，電感的Q因數(shù)超過50。該技術(shù)還可以作為橫向集成p-i-n二極管、高密度電容器和將來的MEMS可變電容器和開關(guān)的平臺(tái)。另一個(gè)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展是體聲波(BAW)技術(shù)，該技術(shù)能夠替代濾波器中的陶瓷和SAW技術(shù)。BAW技術(shù)可以有幾種實(shí)現(xiàn)方法，其中一種如圖4所示。

圖4

采用SAW技術(shù)的優(yōu)勢是性能、損耗、熱特性、尺寸和成本，特別是在高于1GHz的頻率時(shí)，SAW技術(shù)要求使用亞微米光刻。由于采用亞微米結(jié)構(gòu)，在2GHz以上SAW濾波器的損耗將迅速增加，但BAW技術(shù)至少可以在高達(dá)10GHz的頻率下應(yīng)用。由于增加了額外的掩模和合格率相關(guān)的成本問題，在BiCMOS工藝上采用BAW技術(shù)可能并不具有太多的優(yōu)勢。

圖5

將RF功能和完整的系統(tǒng)解決方案外包正成為一種新的商業(yè)模式，上面談到的前端集成化趨勢將進(jìn)一步發(fā)展，未來將涉及基帶和功率控制環(huán)路、匹配、RF切換和濾波器等，提供一個(gè)完整的RF系統(tǒng)解決方案。當(dāng)這些功能完全成熟，且OEM廠商接受這種產(chǎn)品后，這種完整系統(tǒng)方案將大量應(yīng)用。上面所述的前端集成的發(fā)展趨勢還將延伸到基帶和電源管理領(lǐng)域。