集成無源和有源器件提高移動電話性能

優(yōu)越的電氣性能
諸如蜂窩電話等移動設(shè)備都具有數(shù)據(jù)或音頻接口連接外部器件，如麥克風(fēng)、音樂播放器、攝像頭、外部存儲器或者多媒體卡。所有這些I/O接口被認(rèn)為是傳導(dǎo)和輻射EMI以及ESD等干擾的潛在來源和引入點(diǎn)，必須完全抑制這些干擾。

圖1 IPAD電路與無源分立器件衰減性能比較

圖2 抑制ESD的基本ZRZ單元結(jié)構(gòu)的等效原理圖

圖3 SOT和倒裝芯片封裝濾波性能的比較

迄今為止，分立器件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)和EMI濾波功能。從提高性能的觀點(diǎn)以及考慮到節(jié)省空間的發(fā)展趨勢看，現(xiàn)在這種方案在很大程度上不宜繼續(xù)采用。
通過集成EMI低通濾波器，IPAD技術(shù)可以抑制高頻譜內(nèi)的高頻輻射，這些高頻輻射不利于設(shè)備通過EMC標(biāo)準(zhǔn)。圖1是EMIF系列產(chǎn)品獲得IPAD濾波器衰減性能與33pF的分立電容的比較。EMIF器件能在更寬的頻段內(nèi)衰減不希望要的信號。
采用電容濾波的分立器件方案的衰減曲線表明，在非常窄的共振頻率內(nèi)有很大的衰減，而在較高的頻率上衰減很小。分立器件方案對于藍(lán)牙或Wi-Fi交換協(xié)議效率較低。
IPAD器件在800MHz 到3GHz范圍內(nèi)表現(xiàn)較好，其衰減低于-25dB。因此IPAD低通濾波器抑制GSM、DCS或藍(lán)牙設(shè)備中的RF器件的不希望的信號，避免了這些信號影響基帶芯片組和RF模塊。
除了噪音濾除功能，IPAD技術(shù)還提供符合IEC61000-4-2的4級指標(biāo)的ESD保護(hù)功能，即8kV接觸放電和15kV空氣放電。由于集成了雙鉗位結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加15kV的ESD電涌時(shí)，器件的輸出電壓減小為10V。

說明
在EMI濾波和ESD保護(hù)方面獲得了良好的性能是由于采用了為實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能而設(shè)計(jì)的雙齊納單元結(jié)構(gòu)(見圖2)。這種結(jié)構(gòu)非常適合于設(shè)計(jì)者在對印刷電路板尺寸有限制的場合，特別是使用倒裝芯片封裝時(shí)。
顯然IPAD技術(shù)并不局限于集成雙齊納單元，還可以集成各種其它元件。這樣設(shè)計(jì)者可以通過集成上拉或下拉電阻、耦合或去耦電容、肖特基二極管、小信號晶體管、PIN或變?nèi)荻O管等給系統(tǒng)增加更多功能。

高集成度
IPAD產(chǎn)品集成以前在分立器件中采用的是無源陣列和網(wǎng)絡(luò)。與標(biāo)準(zhǔn)分立器件相比，估計(jì)節(jié)省尺寸50%~80%。因此這一技術(shù)對于同時(shí)考慮電氣性能和尺寸的設(shè)計(jì)者非常有吸引力。
用IPAD技術(shù)和分立器件方案實(shí)現(xiàn)10級濾波器加上ESD保護(hù)所需要的尺寸比較如下，完全的分立器件方案需要印刷電路板約19mm2，而用EMIF10-1K010F1的倒裝芯片封裝僅需要6.8mm2。

IPAD封裝的效果
由于具有每平方毫米最高的功能密度，IPAD電路非常適合于高密度電路板。為了最大限度地利用IPAD技術(shù)，應(yīng)該使用倒裝芯片和QFN封裝。由于減小了寄生電感，這些封裝減少了不希望的高頻寄生元件，提高了電氣性能。
對于IPAD技術(shù)，倒裝芯片封裝的性能最好。典型倒裝芯片封裝的內(nèi)在寄生電感為每塊0.20nH，比SOT塑料封裝每個(gè)引線的0.40nH小很多。這種減小寄生電感對濾波性能的作用見圖3。衰減增益與SOT-323封裝比較約為15%。
圖3還說明，SOT-23封裝的寄生電感值為每個(gè)引線0.55nH時(shí)濾波性能在800MHz時(shí)為-20dB。而對于倒裝芯片封裝，同頻率的濾波響應(yīng)為-28dB，性能提高大約25%。

IPAD應(yīng)用實(shí)例
SIM卡接口
SIM卡接口(Subscriber Identify Module --- 用戶識別模塊)是一個(gè)通常用于移動電話中的可移動CPU加上存儲器的模塊。這種存儲卡由用戶插入手機(jī)背面的連接座中，這使得SIM卡接口暴露在有害的ESD電涌以及天線傳輸?shù)腞F信號下。
為了避免由于ESD或通過SIM卡座引入的有害射頻信號而引起的損壞，移動電話設(shè)計(jì)者通常在卡座和SIM卡IC之間加入ESD保護(hù)和EMI濾波電路。
除了ESD保護(hù)功能，集成低通濾波器還可以抑制每個(gè)數(shù)據(jù)線上的RF信號：RESET(復(fù)位)、 CLOCK(時(shí)鐘)、 I/O(輸入/輸出)。這種濾波器還適合于GSM、DCS和藍(lán)牙頻段，使用低容差電阻集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)連線阻抗匹配。
連線電容可以按GSM11.1x標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)下降時(shí)間和上升時(shí)間，不超過50ns。
除了濾波作用，ESD保護(hù)功能分成互補(bǔ)的兩級(見圖2)。ESD浪涌被第一級S1鉗位，然后通過電阻R將保持的電壓施加到第二級S2。這種對稱結(jié)構(gòu)使得輸出電壓非常低。
輸出電壓鉗位的方程為：
Vclamping=Vbr+Rd*Ip
這里Vbr是二極管擊穿電壓，Rd是二極管的動態(tài)電阻，Ip是ESD峰值電流。
假設(shè)二極管的動態(tài)電阻與濾波電阻R以及負(fù)載電阻Rload相比可以忽略，Voutput可以用下面公式計(jì)算：
Voutput=(R . Vbr + Rd . Vinput) / R,
Vinput=(Rg . Vbr + Rd . Vg) / R
考慮電路的電氣性能，對于ESD電路施加8kV放電時(shí)，計(jì)算結(jié)果Voutput=8.4V。因此當(dāng)過壓出現(xiàn)時(shí)，這一電壓保持在安全范圍，充分說明IPAD技術(shù)的良好性能。
移動電話中的USB連接
USB正在成為一種將移動電話和諸如筆記本電腦、PDA或攝像頭等消費(fèi)電子設(shè)備或計(jì)算機(jī)相連接的應(yīng)用辦法。USB具有低速和可達(dá)12Mbps的高速總線的優(yōu)點(diǎn)，比串口快100倍。這種數(shù)據(jù)交換協(xié)議還可以自動檢測到連接的外設(shè)而不需要關(guān)機(jī)操作。
一方面，這種即插即用能力使系統(tǒng)和USB連接器易受人為的影響，通過簡單的接觸有可能產(chǎn)生有害的ESD放電。因此USB連接必須遵守IEC61000的4級標(biāo)準(zhǔn)。
另一方面，特別是當(dāng)我們考慮無線應(yīng)用時(shí)，USB連接器是RF信號回路非常危險(xiǎn)的引入點(diǎn)，它有可能破壞USB集線器。這種RF影響必須通過EMI濾波器抑制，以便符合FCC的15章節(jié)或CISPR的22條的規(guī)定。
IPAD技術(shù)同時(shí)滿足USB1.1指標(biāo)關(guān)于USB的I/O線對EMI濾波以及連線的要求。除了集成EMI濾波、連線負(fù)載、上拉電阻以外，IPAD技術(shù)還具有ESD保護(hù)的功能，符合IEC61000-4-2的4級的要求，所有這些都集成在單一硅片上。

圖4 USB濾波在移動電話實(shí)現(xiàn)的原理

圖4是電路實(shí)現(xiàn)原理(EMIF02-USB01)的例子，所有提及的功能集成在倒裝芯片封裝2.6mm2的硅片上。
與SOT-323相比，倒裝芯片封裝可節(jié)省40%的電路板空間，并具有較高的濾波特性。
USB連線終端負(fù)載可以通過串聯(lián)電阻到數(shù)據(jù)線來實(shí)現(xiàn)。這些電阻匹配USB電纜阻抗，以便保證適當(dāng)?shù)呢?fù)載，維持信號的完整性。
D+和D-線需要上拉電阻來識別設(shè)備是全速還是低速設(shè)備。使用IPAD技術(shù)，這些電阻集成在硅片上，滿足USB1.1指標(biāo)中5%精度的要求。
在這個(gè)例子中，低通濾波器由串聯(lián)電阻和與I/O線并聯(lián)的雙鉗位二極管組成。這一結(jié)構(gòu)中，RC濾波網(wǎng)絡(luò)在1GHz時(shí)的頻率衰減為-25dB。
除了輻射EMI功能，上面例子中的電路通過了在每個(gè)I/O數(shù)據(jù)線上放置ESD雙向二極管而進(jìn)行的IEC61000-4-5的4級測試。
USB應(yīng)用的設(shè)計(jì)對滿足ESD和EMI濾波標(biāo)準(zhǔn)的要求非常關(guān)鍵。采用倒裝芯片封裝的IPAD可以使手機(jī)具有USB連接，并且滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，提供全集成方案，同時(shí)包括阻抗匹配、上拉電阻。而且，優(yōu)化硅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以達(dá)到USB1.1指標(biāo)所需的50pF電容的要求。
IPAD技術(shù)對于尋求良好的電氣性能和節(jié)約電路板尺寸的設(shè)計(jì)者來說，有非常大的吸引力?！?曹譯)