高性能、高集成度的TD-SCDMA模擬基帶集成電路
作為中國原創(chuàng)技術(shù),與WCDMA及CDMA2000并列的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)——TD-SCDMA技術(shù)已步入實用化階段。隨著TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立和發(fā)展,以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為核心的覆蓋集成電路、設(shè)備、系統(tǒng)、終端和科研的產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成。隨著TD-SCDMA試驗網(wǎng)在北京、成都、重慶三地開通和現(xiàn)場測試的開展,對TD-SCDMA的發(fā)展已無多少懸念。然而TD-SCDMA的各種技術(shù)優(yōu)勢并不能夠解決其技術(shù)形成晚的問題,國內(nèi)的TD-SCDMA的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化均無法與WCDMA和CDMA2000相比,特別是在集成電路研發(fā)方面。
TD-SCDMA手機終端的核心由射頻(RFIC)、模擬基帶(ABB)和數(shù)字基帶(DBB)組成?,F(xiàn)今手機通常采用雙芯片解決方案,即射頻芯片和基帶芯片。前者涵蓋了射頻接收、發(fā)射、頻率合成和功率放大等功能,后者則包含了模擬基帶和數(shù)字基帶功能,分別實現(xiàn)信號處理和協(xié)議處理?,F(xiàn)在獨立的ABB芯片已不多見,如Maxim公司的MAX19700。但在產(chǎn)業(yè)化初期階段,研發(fā)TD-SCDMA專用的ABB芯片仍然有意義。
首先DBB芯片是一款純數(shù)字芯片,因此DBB芯片可以隨著CMOS制造工藝的演進而演進,而ABB芯片作為一款典型的混合信號芯片,其成本對工藝并不敏感。其次集成基帶解決方案主要是為了降低終端設(shè)計難度和制造成本,但如果能夠合理分配功能,提高各自的集成度,分離的解決方案同樣具備競爭力。同時分離方案有利于降低各自的研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期、加快實用化進程,在現(xiàn)階段對于TD-SCDMA這樣的新興技術(shù)是可行和有利的。為此捷頂微電子(上海)有限公司推出了一款TD-SCDMA終端專用的ABB芯片——AS2003。
AS2003是一顆高性能、高集成度的TD-SCDMA終端專用ABB信號處理芯片,其內(nèi)部架構(gòu)見圖1。芯片中集成有多路中頻信號數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、中頻信號放大器、低通濾波器、多路輔助數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和單路帶選通開關(guān)的多路輸入輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。此外AS2003還集成了完整的音頻處理電路和輔助電源管理電路,包括帶雙路輸入和雙路輸出的單聲道音頻編解碼器,音頻功率放大器,可用于電池電壓或溫度信號檢測的輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)機檢測電路和低電壓監(jiān)測保護電路,集成的實時時鐘可提供豐富的定時功能。采用1.8/3.0V供電的AS2003有著優(yōu)秀的信號處理性能和極低的功耗,收發(fā)通道電路工作的典型電流僅10mA,在關(guān)機和實時時鐘工作時,工作電流僅有5uA,可明顯延長終端的通話時間和待機時間。Mini-BGA的封裝和極少的外圍被動元件需求可有效節(jié)省PCB面積、簡化終端設(shè)計、降低成本。
AS2003的實現(xiàn)
ABB芯片最基本的功能就是實現(xiàn)對正交中頻信號的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換,因此需要雙路ADC處理RF芯片輸出的正交模擬I/Q中頻信號、雙路DAC處理DBB芯片生成的正交數(shù)字I/Q中頻信號。這些ADC和DAC要有合適的采樣和轉(zhuǎn)換精度及速率、高信噪比、高無雜散動態(tài)范圍、優(yōu)良的相位和增益匹配度。
圖1:AS2003內(nèi)部架構(gòu)示意圖
AS2003采用雙路10位ADC和雙路10位DAC,支持最高5.12Msps采樣頻率的設(shè)計。當(dāng)輸入640kHz模擬中頻信號,采樣率為5.12Msps時,ADC的SINAD達到54.9dB,SFDR可達78dBc。配合集成的全差分輸入放大器,I/Q通道的相位匹配度可達±0.22°,增益匹配度為±0.02dB。
在中頻發(fā)送電路部分集成了一可選通的帶寬640kHz的低通濾波器,其旁瓣抑制大于55dB。當(dāng)?shù)屯V波器工作時,DAC的阻帶抑制大于55dB,典型的I/Q通道的相位匹配度可達±0.16°,增益匹配度為±0.05dB,并可通過調(diào)節(jié)輸出共模電壓來調(diào)節(jié)I/Q信號的失調(diào)。
ADC和DAC共享的高速數(shù)據(jù)總線,在滿足TD-SCDMA時分雙工(TDD)工作模式的前提下進行了優(yōu)化設(shè)計。數(shù)據(jù)總線由ADC I/Q復(fù)用電路、DAC I/Q解復(fù)用電路和收發(fā)雙工電路共同實現(xiàn),接口采用半雙工模式,DBB芯片可通過改變發(fā)射/接收(Tx/Rx)信號來控制數(shù)據(jù)傳輸方向。為了降低對時鐘頻率的要求,AS2003采用雙速率模式設(shè)計,即在時鐘的上下沿均傳輸數(shù)據(jù),上邊沿傳輸I路數(shù)據(jù),下邊沿傳輸Q路數(shù)據(jù)。
除了射頻信號外,DBB芯片需要通過改變射頻前端電路的各類放大電路的增益來調(diào)整接收靈敏度和發(fā)射功率,同時還要通過調(diào)整射頻前端電路的頻率合成器來改變射頻頻率。為此AS2003集成了三路獨立的12位精度輔助DAC,可分別用于生成RF芯片中的接收放大器,頻率合成器和發(fā)送放大器的模擬控制信號。這些DAC通過SPI接口接受來自DBB芯片的控制數(shù)據(jù),在連接20kΩ負(fù)載時每路DAC的建立時間小于0.3us,這種快速建立特性能有效地保證DBB芯片對RF芯片的實時調(diào)整。
在手機終端中音頻處理是一重要組成部分,其性能直接影響用戶的使用體驗。AS2003中集成的高性能16位Δ-Σ音頻編解碼電路提供了豐富的特性。這一音頻編解碼電路包含可選擇的雙路麥克風(fēng)輸入,高保真的差分單路音頻輸出,集成的最大輸出功率可達400mW的揚聲器功率放大器,以及內(nèi)置的可變增益的數(shù)字Side-Tone音效處理電路,從而提供了完整的手機音頻解決方案。大于73dB的典型信噪比和小于-73dB的THD,32級的連續(xù)音量調(diào)節(jié)能力,使得集成的音頻編解碼器已完全能夠替代專用的手機音頻芯片。此外AS2003提供兼容性的數(shù)字音頻接口,可配置4線PCM接口能夠輕松地兼容多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻接口,如PCM、McBSP、SerialPort和I2S。良好的性能和兼容性提高了對DBB芯片的選擇自由度。
除上述功能外,AS2003還提供了一些能進一步簡化手機終端設(shè)計的功能。集成的帶選通開關(guān)的4路輸入10位SAR-DAC可用于實現(xiàn)對如電池電壓或溫度等模擬信號的測量,可幫助DBB芯片實現(xiàn)對電壓、溫度等多種模擬量的監(jiān)控。AS2003實現(xiàn)的開關(guān)機控制電路配合電源調(diào)節(jié)芯片,運用合理的設(shè)計即可實現(xiàn)帶記憶的單按鍵啟動或關(guān)閉手機,而無需依賴專用的手機電源管理解決方案。電池監(jiān)測保護電路則可實現(xiàn)對手機電池電壓的實時監(jiān)測,當(dāng)電池電壓降低到閾值時,AS2003能夠自動關(guān)閉手機以保護電池。AS2003中集成的超低功耗實時時鐘則提供了更加實用的功能,它不僅能為系統(tǒng)提供的準(zhǔn)確的時間,而且通過可編程多模式的鬧鐘功能產(chǎn)生中斷信號,實現(xiàn)諸如定時開機、定時關(guān)機、定時喚醒等等功能。
AS2003的典型應(yīng)用
得益于良好的設(shè)計和集成度,僅需選配少量的電阻和電容,就能夠采用AS2003與RF芯片(組)和DBB芯片構(gòu)建完整的TD-SCDMA手機核心解決方案。AS2003提供的接口可分為RF接口、DBB接口、音頻接口、電源接口和輔助接口(圖2)。
圖2:AS2003的典型應(yīng)用
AS2003的RF接口提供了模擬信號接口和模擬控制接口。模擬信號接口分為2對4路I/Q輸入接口和2對4路I/Q輸出接口,分別用于連接RF芯片中頻信號的輸出和輸入。4對接口均采用差分方式,可以與RF芯片直接連接。如需進一步提高性能,也可選用AC耦合連接方式,此時僅需增加兩顆分壓電阻,從AS2003提供的基準(zhǔn)電壓取出中間電壓,作為I/Q ADC輸入的共模電壓。AS2003輸出的3路模擬控制信號可直接連接射頻前端的AGC、AFC和APC接口,其0.3V至2.2V的電壓范圍可滿足對絕大部分RF芯片的控制要求。
AS2003的DBB接口比較多,但基本上直接連接即可,包括10位的高速數(shù)據(jù)總線、2路SPI接口、時鐘接口、收發(fā)信號接口和PCM數(shù)字音頻接口。其中2路SPI接口是主要控制接口,均工作于Slave模式,SPI1接口用于控制AS2003的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和3路RF控制用DAC,SPI2接口用于控制其它功能。DBB芯片與AS2003可透過半雙工的高速數(shù)字總線交換中頻信號數(shù)據(jù),但DBB芯片需要主動控制收發(fā)信號接口以調(diào)整數(shù)據(jù)流向。
AS2003可輸出標(biāo)準(zhǔn)的32.768kHz時鐘方波至DBB芯片,DBB芯片也可通過SPI2接口讀取或設(shè)置AS2003中的實時時鐘(包括日期和時間),設(shè)置后AS2003將自行維護實時時鐘。AS2003提供了多模式的鬧鐘功能,經(jīng)SPI2設(shè)置后,AS2003能夠定時產(chǎn)生中斷信號,實現(xiàn)諸如定時開機、定時關(guān)機功能,也可定時喚醒DBB芯片。
AS2003的音頻接口包括PCM接口、耳機輸出接口、揚聲器輸出接口和主/備麥克風(fēng)接口。PCM接口可通過SPI2接口配置,配置后可兼容PCM、I2S,McBSP和SerialPort等多種數(shù)字音頻接口規(guī)范。耳機輸出接口需要一顆分壓電阻,而差分的揚聲器輸出接口可直接驅(qū)動揚聲器,在8Ω負(fù)載時最大輸出功率可達400mW。主麥克風(fēng)接口為差分輸入,可通過兩個RC濾波電路接入主麥克風(fēng)。輸出選通和麥克風(fēng)選通及音量可通過SPI2接口調(diào)節(jié)。
本文小結(jié)
作為一款TD-SCDMA手機終端專用的ABB芯片,AS2003提供了比標(biāo)準(zhǔn)ABB芯片更為豐富的功能,其高集成度能夠有效地降低TD-SCDMA手機終端對除核心器件以外的元器件的需求。顯而易見,功能合理的ABB芯片同樣能夠降低手機終端的設(shè)計難度和制造成本。
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