E-GOLDradio CMOS 單芯片解決方案成就低成本 GSM 系統(tǒng)

e-goldradio是英飛凌科技公司在利用標(biāo)準(zhǔn)cmos技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字、混合信號(hào)和射頻功能的一種gsm單芯片集成方案。e-goldradio 由基帶控制功能模塊、四頻射頻收發(fā)器和gsm 系統(tǒng)所需的混合信號(hào)構(gòu)件等組成，通過(guò)減少電容器和分立式元件等外接組件，將材料成本降低了約30%。該芯片的高集成性和超小尺寸，使翻蓋手機(jī)或滑蓋手機(jī)的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。

系統(tǒng)概述

e-goldradio芯片解決方案將e-goldlite手機(jī)基帶芯片和smarti-sd2射頻收發(fā)器集成在單個(gè)芯片上，這兩種部件屬于成熟技術(shù)，并在早些時(shí)候已被投入量產(chǎn)。這種解決方案在單個(gè)cmos芯片上包含所有必需的基帶功能模塊、內(nèi)存（ram和rom）、混合信號(hào)和射頻功能模塊。由于采用了6層印刷電路板，并使用較少的中間組件，該芯片可以最大限度地降低系統(tǒng)成本。由于高度集成，整個(gè)gsm系統(tǒng)可以采用 9mm 9mm的lf2bga-233 倒裝芯片封裝。這種調(diào)制解調(diào)器功能模塊最多可配置12個(gè)端口。e-goldradio單芯片解決方案的系統(tǒng)圖如圖1所示。

e-goldradio 的主要特性如下：

射頻子系統(tǒng)：

能耗更低的四基帶直接轉(zhuǎn)換接收器

包括發(fā)射器的全數(shù)字射頻合成器

完全集成的數(shù)字控制晶體振蕩器

基帶子系統(tǒng)：

c166s- c

104mhz teaklite 數(shù)字信號(hào)處理器核心

靈活的結(jié)構(gòu)，帶有多種接口，如鍵盤(pán)、ssc、i2s、i2c、具有irda 的asc 和用于追蹤的asc a51/2/3和 gea-1/2/3 密碼單元

用于sim-lock的設(shè)備id特性豐富的固件掩模，帶有mp3 解碼器、高保真和弦鈴和tty語(yǔ)音編解碼器： hr、fr、efr和amrsaic

cmos 單芯片解決方案

在過(guò)去，人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)“單芯片系統(tǒng)”解決方案在集成方面所作的努力開(kāi)始于集成電路，這方面的進(jìn)展主要集中在將外部組件進(jìn)行集成或?qū)⒌皖l混合信號(hào)功能模塊同數(shù)字式電路系統(tǒng)集成起來(lái)。而現(xiàn)在，人們將以前利用不同的工藝，如cmos 和 bicmos，所實(shí)現(xiàn)的構(gòu)件集成在單個(gè)芯片上，通過(guò)省去外接組件、降低封裝成本、開(kāi)發(fā)最佳的總體芯片結(jié)構(gòu)、采用先進(jìn)的測(cè)試概念等方法來(lái)進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本。

作為cmos 單芯片解決方案的替代方案，這種單芯片解決方案將基帶、內(nèi)存（ram 和rom）、混合信號(hào)和射頻功能模塊集成到一個(gè)芯片上， 其他制造系統(tǒng)封裝（sip） 的方法，如多芯片模塊（mcm）、堆疊式集成電路（見(jiàn)圖2）等，都是人們熟知的。每一種系統(tǒng)封裝概念在制造成本、安裝難度、測(cè)試概念（已知良好的晶粒）、交叉耦合表現(xiàn)等方面都有其特定的優(yōu)缺點(diǎn)。

除了上述可以實(shí)現(xiàn)集成式基帶和收發(fā)器功能的方法外，可以在模塊設(shè)計(jì)中進(jìn)一步提高集成程度， 將其作為集成載體用于芯片集和更多功能模塊（如前端濾波器、功率放大器等）。

技術(shù)考慮

為了滿足最低成本、最小尺寸和最低的電流消耗，利用高集成度的單芯片解決方案是最佳的方法。這樣做的目的是盡可能地降低分立式硅元件、r（電阻）、l（電感）、c（電容）、外接調(diào)整元件等外接組件的成本。為了實(shí)現(xiàn)最高程度的集成，可以考慮使用不同的晶片工藝?？梢允褂胋icmos、soi（絕緣體上硅）或sige 工藝，然而成本最合算的當(dāng)屬標(biāo)準(zhǔn) cmos工藝，該工藝已用于其他邏輯元件。 例如，由于需要更少的掩模和工藝步驟，典型的0.25 m cmos工藝的成本大約比同等的bicmos工藝的成本低30%～50%。由于需要大量使用高容量的數(shù)字產(chǎn)品，soi 和 sige工藝需要采用較貴的原材料及更高的工藝難度。由于性能要求，只有那些能夠從sige 或bicmos 工藝中獲益的構(gòu)件才能成為射頻和混合信號(hào)構(gòu)件。

要通過(guò)技術(shù)選擇實(shí)現(xiàn)單芯片解決方案，必須考慮到不同技術(shù)之間的技術(shù)交換。很明顯，要實(shí)現(xiàn)單芯片集成， rf 組件必須采用和基帶部分相同的工藝。因此，理論上的速度，或者更確切地說(shuō)，該技術(shù)的轉(zhuǎn)移頻率（ft）在這些考慮中占主要地位。作為一條經(jīng)驗(yàn)法則，該技術(shù)的轉(zhuǎn)移頻率必須是在不同構(gòu)件中處理的最高信號(hào)頻率的10倍。由于在過(guò)去的幾年中在cmos轉(zhuǎn)移頻率方面所取得的巨大進(jìn)步（見(jiàn)圖3），cmos單芯片解決方案可以成為無(wú)線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，gsm 單芯片也是英飛凌所取得的最新進(jìn)展。

e-goldradio gsm四頻帶單芯片系統(tǒng)使用130nm的bulk cmos工藝制造。這種工藝可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)6 個(gè)金屬層（銅）的設(shè)計(jì)，并針對(duì)高性能模擬構(gòu)件提供一個(gè)潛在的mimcap設(shè)備。其氧化物的厚度僅為2.8nm。此外，這種工藝還可以在提供適用的i/o 電壓方面（如用于專門(mén)的模擬和接口電路的2.5v i/o電壓）有很大的靈活性。e-goldradio芯片所采用的0.13 m工藝可以實(shí)現(xiàn)100ghz的轉(zhuǎn)移頻率和約 60ghz的最高頻率，并在頻率為4ghz時(shí)，將集成線圈的質(zhì)量提高約8倍，可以通過(guò)擴(kuò)散或多晶硅方法實(shí)現(xiàn)電阻器。從技術(shù)角度而言，這些參數(shù)為所有現(xiàn)存的手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)提供了出色的射頻性能， 并提供了足夠的空間以確保實(shí)現(xiàn)單芯片產(chǎn)品的穩(wěn)定量產(chǎn)。

將射頻芯片和基帶芯片集成在單個(gè)芯片上需要面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是：避免和克服該集成電路上射頻和數(shù)字部分之間可能出現(xiàn)的串?dāng)_。盡管需要滿足這些要求，但仍然不需要采取特殊的工藝來(lái)提高在此所述的e-goldradio的防串?dāng)_性能。相反，它是通過(guò)復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（包括集成電路、封裝、印刷電路板等）、成熟的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)過(guò)認(rèn)真挑選的線路圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

因?yàn)樯漕l部分在整個(gè)芯片上只占很小的面積，利用該工藝制造整個(gè)芯片可以極大地降低間接制造成本。射頻部分在整個(gè)芯片上所占的面積取決于該芯片針對(duì)哪種應(yīng)用，如gsm、藍(lán)牙、wlan、uwb等。被集成的內(nèi)存數(shù)量和用于微控制器和數(shù)字信號(hào)處理功能而使用的核心占據(jù)了芯片的大部分剩余面積。圖4顯示了藍(lán)牙單芯片分區(qū)的一個(gè)典型例子，包括數(shù)字/內(nèi)存、混合信號(hào)和射頻部分，它與gsm單芯片解決方案的分區(qū)類似。

cmos 構(gòu)件和電路設(shè)計(jì)

合適的技術(shù)和成熟的電路設(shè)計(jì)使一些構(gòu)件能夠滿足射頻性能、電流消耗等特定參數(shù)方面的高要求。尤其是對(duì)于gsm應(yīng)用來(lái)說(shuō)，必須在較大的溫度和電壓范圍內(nèi)達(dá)到這些性能要求，同時(shí)，還必須考慮cmos工藝中出現(xiàn)的工藝偏差。

cmos技術(shù)可以為模擬電路設(shè)計(jì)帶來(lái)許多益處，但與性能高許多的bicmos電路相比，還需要在設(shè)計(jì)方面采取一些非常細(xì)致的措施，以便能夠滿足gsm射頻參數(shù)方面非常嚴(yán)格的系統(tǒng)要求。

利用標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝實(shí)現(xiàn)射頻模塊的能力，在將數(shù)字部分、混合信號(hào)和射頻部分集成于同一個(gè)芯片方面獲得巨大進(jìn)展。如果在射頻部分設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字部分所采用的相同技術(shù)，必須考慮到該技術(shù)沒(méi)有針對(duì)模擬性能進(jìn)行優(yōu)化。在射頻部分設(shè)計(jì)中還必須考慮晶體管、電阻器、電容器和電感器在射頻和噪音方面的性能。此外，同在獨(dú)立式設(shè)計(jì)中所做的一樣，還需要特別注意工藝方面的偏差，尤其需要注意由于電路損壞和其他cmos缺點(diǎn)（如1/f噪聲）對(duì)接收器和發(fā)射器造成的影響。

如果在同一個(gè)芯片上集成射頻和數(shù)字功能，需要特別注意交叉耦合效果。交叉耦合的來(lái)源之一可能是cmos工藝中的低電阻硅襯底。采用防護(hù)環(huán)是一種可以提高隔離效果的方法。還可以使用深槽，但這會(huì)導(dǎo)致技術(shù)復(fù)雜性的提高。此外，應(yīng)該通過(guò)對(duì)不同的功能模塊進(jìn)行合理的放置來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵模塊之間最大程度的隔離。由于電源的耦合以及接合線感應(yīng)而導(dǎo)致的耦合等，可能會(huì)出現(xiàn)更多的串?dāng)_。這些串?dāng)_可能會(huì)受到接地、緩沖和針腳放置的影響。

接收器和發(fā)射器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇是為了確保實(shí)現(xiàn)低成本應(yīng)用，同時(shí)保證更牢靠、更高的性能。e-goldradio芯片的射頻部分（見(jiàn)圖5）由用于發(fā)射調(diào)制的sigma-delta鎖相環(huán)電路，和一個(gè)用于接收的直接轉(zhuǎn)換接收器組成。所選定的整體設(shè)計(jì)基于smarti-sd2，為一種獨(dú)立的射頻收發(fā)器。這種收發(fā)器采用成熟的設(shè)計(jì)，目前已開(kāi)始量產(chǎn)。直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的主要好處是在特定頻率偏移時(shí)不會(huì)出現(xiàn)不必要的邊帶?？紤]到交叉耦合，這些不必要的邊帶可能會(huì)同其他存在的雜散混合，并可能會(huì)導(dǎo)致這個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)更多的問(wèn)題。外差結(jié)構(gòu)的唯一好處是可以降低對(duì)調(diào)幅干擾信號(hào)造成的影響，并減少對(duì)閃爍噪聲的敏感度。

對(duì)于發(fā)射路徑來(lái)說(shuō)，由于可以幫助緩解從pa至vco的關(guān)鍵串?dāng)_，經(jīng)過(guò)調(diào)制的鎖相環(huán)電路方法可以幫助降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，這是因?yàn)閮烧叨荚诼晕⒉煌南辔簧线\(yùn)行。必須特別注意環(huán)路設(shè)計(jì)，因?yàn)橄到y(tǒng)要求非常好的噪聲抑制（sigma delta 噪聲），尤其是在400 khz的偏移頻率時(shí)（見(jiàn)圖6）。因此，必須進(jìn)行一些調(diào)整來(lái)控制環(huán)路傳遞函數(shù)。

在gsm系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)的主要性能參數(shù)是接收器頻帶中的噪聲要求，在其低頻帶頻率偏移為20mhz 時(shí)，需要達(dá)到 162dbc/hz。此外，要達(dá)到接收器的敏感度和非線性要求，還需要有非常好的噪聲性能。很明顯，這些參數(shù)在很大程度上依賴于所采用的前端濾波器 。

在發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)中選用了sigma delta 調(diào)制方法，因?yàn)樗强朔湫偷腸mos擴(kuò)頻問(wèn)題的最好方法。在載波頻率處理過(guò)程中還添加了預(yù)失真調(diào)制。由于這一種鎖相環(huán)電路要求大量的調(diào)整和數(shù)字過(guò)程，cmos工藝可以在很小的芯片上采用這種邏輯電路帶來(lái)很多益處。 ∑- -鎖相環(huán)電路的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7(a)。vco的運(yùn)行頻率是高頻帶的兩倍，是低頻帶的4倍。 vco的示意圖見(jiàn)圖7 (b)。vco 的vco增益為 60 mhz，誤差 10%，頻率范圍為1300mhz。

在頻率偏移為20mhz時(shí)，鎖相環(huán)電路的噪聲性能要優(yōu)于 164.5dbc/hz，留下了足夠的余量以滿足gsm規(guī)范。在高頻帶和低頻帶時(shí)的輸出功率總是大于2dbm(必須考慮到電路板損耗)，見(jiàn)圖8。

接收器的關(guān)鍵參數(shù)是接收解調(diào)器的閃爍噪聲性能。由于閃爍噪聲會(huì)直接導(dǎo)致整體噪聲性能的降低，因此需要有非常好的解調(diào)器和完整的lo 鏈設(shè)計(jì)。必須實(shí)現(xiàn)lo轉(zhuǎn)換信號(hào)的最佳轉(zhuǎn)換速度和較低的整體功耗。e-goldradio芯片在所有頻帶實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)3 db的噪聲性能。借助集成電路前面的2:1變壓器和平衡-不平衡變壓器可以很容易地進(jìn)行匹配。對(duì)于在這種方法中使用的直接轉(zhuǎn)換接收器來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)能夠經(jīng)受調(diào)幅可調(diào)的干擾信號(hào)的堅(jiān)固系統(tǒng)，如gsm技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的干擾信號(hào)，除了要求閃爍噪聲具有非常低的轉(zhuǎn)角頻率外，還需要有非常好的輸入ip2 性能。在這一點(diǎn)上，整個(gè)系統(tǒng)可以表現(xiàn)出足夠好的性能以滿足系統(tǒng)要求，并足夠結(jié)實(shí)，可以經(jīng)受實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)。

交叉耦合

對(duì)于單芯片系統(tǒng)方法來(lái)說(shuō)，僅僅關(guān)注構(gòu)件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這一點(diǎn)非常明顯，因?yàn)橐呀?jīng)有了很多解決方案，這些解決方案在使用cmos制造可以完成gsm標(biāo)準(zhǔn)要求的收發(fā)器方面表現(xiàn)出了極大的靈活性。主要挑戰(zhàn)是構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，并同時(shí)考慮到因?yàn)榧啥斐傻乃杏绊憽＿@種整體系統(tǒng)方法意味著有必要考慮到所有潛在的交叉耦合機(jī)制和被集成的構(gòu)件之間的其他相互影響。這些影響必須在集成電路、封裝和電路板設(shè)計(jì)中加以考慮。 應(yīng)付耦合效應(yīng)的方法之一是進(jìn)行整體頻率規(guī)劃。一般而言，對(duì)于接收過(guò)程中的向下混頻或發(fā)送過(guò)程中的頻率調(diào)幅來(lái)說(shuō)，會(huì)使用直接來(lái)自鎖相環(huán)電路的中心頻率或利用變頻器對(duì)鎖相環(huán)電路的輸出頻率進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過(guò)頻率劃分、增大或混合來(lái)獲得其他頻率。通常情況下，由于電路設(shè)計(jì)中的不足和耦合效應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)若干更高的諧波頻率和復(fù)合失真，來(lái)代替唯一被需要的載波頻率。這些額外的頻率會(huì)出現(xiàn)在輸出頻譜中，作為寄生頻率。 除了在其他輸出頻譜中出現(xiàn)這些寄生頻率外，這些頻率還會(huì)影響構(gòu)件的性能。有幾種措施，如利用巧妙的變頻器概念和應(yīng)用特別的設(shè)計(jì)，可以被用來(lái)減少這些不必要的譜分量。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度而言，可以通過(guò)仔細(xì)的頻率規(guī)劃，如前文所述的更高的諧波頻率布局或復(fù)合失真，來(lái)減少交叉耦合。此外，還必須選擇模擬和數(shù)字信號(hào)處理模塊之間的最佳分區(qū)。減少模擬濾波器的數(shù)量（這需要有標(biāo)準(zhǔn)低電容強(qiáng)度的線性電容器）和增加數(shù)字部分的比重是最大限度挖掘技術(shù)潛力的最好方法。通過(guò)將數(shù)字核心中使用的技術(shù)用于射頻部分，可以充分利用數(shù)字信號(hào)處理的力量來(lái)實(shí)現(xiàn)比完全模擬結(jié)構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的更加先進(jìn)的接收器和發(fā)射器結(jié)構(gòu)。

為了在射頻部分和數(shù)字部分之間實(shí)現(xiàn)最佳的去耦作用，一種非常適合的電源概念被引入到設(shè)計(jì)當(dāng)中。此外， bga封裝（見(jiàn)圖9）的設(shè)計(jì)對(duì)芯片性能的影響也很大。因此，需要將這種封裝設(shè)計(jì)同集成電路設(shè)計(jì)（如各個(gè)功能模塊的放置）進(jìn)行綜合考慮，來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的整體性能。

gsm 系統(tǒng)

作為一種集成了基帶和收發(fā)器功能的芯片，e-goldradio 是ulc平臺(tái)的一部分，該平臺(tái)針對(duì)2g手機(jī)，使用戶可以制造集成化程度和綜合程度最高的手機(jī)設(shè)備。除了gsm 調(diào)制解調(diào)器功能模塊（包括集成的基帶和射頻收發(fā)器、天線開(kāi)關(guān)和功率放大器）外，該平臺(tái)還包括電源管理、內(nèi)存等部分，使用戶能夠在最短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出極具競(jìng)爭(zhēng)力的手機(jī)。

由于e-goldradio芯片實(shí)現(xiàn)了高度集成，可以在最小的印刷電路板（不超過(guò)6 cm2，見(jiàn)圖10）上組裝所有的調(diào)制解調(diào)器功能。外接元件的數(shù)量在70個(gè)以內(nèi)，而無(wú)需增加任何針對(duì)客戶的元件?？梢岳萌娴墓δ芗癁檫@種完整的調(diào)制解調(diào)器功能設(shè)計(jì)出先進(jìn)的ebom 。