數(shù)字射頻技術(shù)對(duì)手機(jī)電路設(shè)計(jì)帶來的影響及發(fā)展趨勢(shì)

消費(fèi)者已經(jīng)開始將手機(jī)作為便攜式娛樂終端，集成越來越多的功能與減小手機(jī)尺寸、增長(zhǎng)電池壽命形成矛盾。解決這個(gè)問題的最好辦法是從射頻部分入手，本文介紹的數(shù)字射頻技術(shù)能有效地降低射頻部分的功耗和尺寸。

手機(jī)設(shè)計(jì)工程師希望在不影響電路板面積、耗電量和成本的前提下增加更多消費(fèi)者想要的功能，最有可能實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的方法是從手機(jī)射頻電路著手。射頻電路大都是模擬器件，不但可能占用高達(dá)五成的電路板面積，耗電量也頗為可觀。事實(shí)上，由于射頻器件所需的電路板空間實(shí)在太大，當(dāng)設(shè)計(jì)工程師為了整合藍(lán)牙、電視、輔助全球定位系統(tǒng)(A-GPS)、無線網(wǎng)絡(luò)或其它功能而必須在手機(jī)中增加無線電電路時(shí)，總會(huì)發(fā)現(xiàn)除了加大產(chǎn)品體積外幾乎別無選擇。另外，增加射頻器件必然會(huì)增加耗電量和成本。

圖1：黃線部分代表的射頻收發(fā)相關(guān)功能約占
手機(jī)電路板器件總數(shù)的三分之一。

要解決這個(gè)兩難的困境，關(guān)鍵在于不增加器件就能擴(kuò)大手機(jī)功能的技術(shù)，而且要盡量提高核心器件的工作效率，讓手機(jī)增加很少的電路板面積、耗電量和成本就能執(zhí)行更多的無線電操作。

數(shù)字射頻技術(shù)

德州儀器(TI)的數(shù)字射頻(DRP)技術(shù)正朝此目標(biāo)邁進(jìn)，它所能節(jié)省的電路板面積、耗電量和成本對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)工程師具有極大的意義。DRP技術(shù)的目標(biāo)在于讓模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能盡量靠近天線，同時(shí)以數(shù)字方式執(zhí)行初始濾波以外的所有處理工作。這種做法既可提高性能，又能減少約一半的電路板空間、硅芯片面積和功耗。

許多設(shè)計(jì)工程師選擇系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)和系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)來開發(fā)手機(jī)。SIP可將半導(dǎo)體器件層疊封裝在一起以節(jié)省電路板面積，現(xiàn)已成為多數(shù)射頻前端電路的最佳選擇。功率放大器、聲表面波濾波器、射頻開關(guān)和相關(guān)無源器件則最適合采用系統(tǒng)級(jí)封裝模塊。另一方面，透過深亞微米CMOS工藝技術(shù)把射頻收發(fā)器以及系統(tǒng)基頻處理功能集成為SoC也會(huì)帶來許多好處，包括可以減少耗電量、成本、電路板面積和測(cè)試成本，同時(shí)提高性能、手機(jī)制造良率以及加速測(cè)量、。

深亞微米邏輯工藝提供極高的邏輯電路密度和頻率，設(shè)計(jì)工程師希望能利用SoC發(fā)揮這種工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。雖然這表示工程師可能要為深亞微米CMOS工藝發(fā)展新型無線電架構(gòu)，但它確實(shí)為設(shè)計(jì)工程師帶來許多重大好處。其中最重要的就是隨著CMOS晶圓工藝技術(shù)進(jìn)步而導(dǎo)致開關(guān)速度不斷加快，這些器件也能提高它們的采樣速率。輸入信號(hào)的超采樣可以減少混疊噪聲(aliasing)問題并放寬輸入電路的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)工程師可以采用更復(fù)雜的濾波技術(shù)，并且在更靠近天線的位置執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。除此之外，SoC的集成也能提高系統(tǒng)生產(chǎn)良率，這是因?yàn)橛懈喙δ芨挠蛇壿嬰娐穼?shí)現(xiàn)，它們不像模擬射頻電路會(huì)受到參數(shù)良率損失的影響。利用尺寸更小的先進(jìn)工藝技術(shù)設(shè)計(jì)無線電功能還可減少電路板尺寸和硅片面積。

數(shù)字無線電技術(shù)只需少數(shù)無源器件，所以只要將收發(fā)器和數(shù)字基帶處理功能集成在一起就可大幅減少電路板面積。高集成度SoC的成本有時(shí)雖略高于分立器件，但器件數(shù)通常也較少，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、測(cè)試和調(diào)試成本都能大幅下降。設(shè)計(jì)復(fù)雜性的降低還能加快新產(chǎn)品上市時(shí)間，這是高集成度器件的另一項(xiàng)附帶的好處。

減少系統(tǒng)器件會(huì)降低功率需求，但大幅降低耗電的關(guān)鍵仍在于數(shù)字邏輯的耗電量非常小，CMOS工藝的功耗也遠(yuǎn)低于其它工藝，如特殊模擬器件常用的SiGe BiCMOS技術(shù)。事實(shí)上，90納米CMOS技術(shù)早就用于實(shí)際生產(chǎn)，65納米已有樣品供應(yīng)，45納米工藝的發(fā)展也有一段時(shí)間。相比之下，SiGe BiCMOS還無法將電路結(jié)構(gòu)尺寸縮小到如此程度，目前多數(shù)SiGe射頻器件仍在使用180納米技術(shù)。

數(shù)字射頻技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字CMOS技術(shù)是在最近幾年才將時(shí)鐘速度提高和耗電量降低至一定程度，使得射頻信號(hào)的數(shù)字處理得以實(shí)現(xiàn)。利用數(shù)字技術(shù)處理射頻信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘速度必須等于無線電頻率，例如藍(lán)牙應(yīng)用的頻率就高達(dá)2.4GHz。由于個(gè)人計(jì)算機(jī)和DSP的速率早已超過此水平，設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在已能將數(shù)字處理用于無線射頻器，利用到數(shù)字處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

圖2：無線電功能整合的可能選項(xiàng)。

隨著工藝技術(shù)日益精密，數(shù)字工藝很容易就制造出更小的電路結(jié)構(gòu)。然而無線電單元如前所述總是會(huì)有些模擬電路，要將它們完全消除就必須采用全新的無線電架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也需要適度修改。盡管如此，這些無線電通常仍很容易升級(jí)到更先進(jìn)工藝，因?yàn)樗鼈兊碾娐范喟胍咽?a target="_blank">數(shù)字電路。

為了達(dá)到模擬和射頻電路的某些嚴(yán)苛要求，DRP設(shè)計(jì)會(huì)將模擬電路的部份功能轉(zhuǎn)移到數(shù)字電路，這讓SoC也能采用90納米或65納米的CMOS工藝，廠商還能利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS流程制造電阻和電容等模擬與射頻整合所需的大部份器件，進(jìn)而降低成本并提高功能集成度。

在我們的先進(jìn)技術(shù)中，是以銅作為連接導(dǎo)線，銅的良好導(dǎo)電性最適合將電感和電容等無源器件集成在一起。采用多層導(dǎo)線的新型3D電容設(shè)計(jì)可在更小面積上制造出更大電容，頂部厚金屬層不但將數(shù)字電源總線的IR壓降減至最小，還能提高集成電容的Q值。

有了速度超快的CMOS射頻器件，設(shè)計(jì)工程師不再需要某些要求嚴(yán)格的模擬濾波器。多數(shù)濾波器功能現(xiàn)在可由數(shù)字電路提供，使得功耗和芯片面積變得更小。CMOS射頻器件只需很少的功率來開啟和關(guān)閉阻抗固定的線性開關(guān)，這對(duì)于開關(guān)電容(switched capacitor)電路、混頻器、開關(guān)電源、穩(wěn)壓器無源組件和D類放大器的設(shè)計(jì)都有極大幫助。

采樣數(shù)據(jù)技術(shù)是避免使用高性能無源器件的方法之一。由于采樣動(dòng)作必然會(huì)導(dǎo)致頻率變換，信號(hào)下變頻將變得更容易。只要采樣電容完成輸入信號(hào)波形獲取，我們就能輕易將多個(gè)電荷樣本值結(jié)合在一起。在相同電容上對(duì)一個(gè)波形的多個(gè)采樣可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的移動(dòng)平均濾波器。采用這種方式，設(shè)計(jì)工程師還能很容易地開發(fā)出其它更復(fù)雜的FIR和IIR濾波器，還能藉由各種方法處理模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)一步處理信號(hào)。

隨著CMOS工藝的開關(guān)速度加快，器件也能以更高速率采樣。輸入信號(hào)超采樣可以減少噪聲混疊問題和放寬輸入電路的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)工程師可采用更復(fù)雜的濾波技術(shù)，在更靠近天線的地方進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)把更多的信號(hào)處理操作交給數(shù)字電路，以便充分利用邏輯工藝不斷縮小所帶來的各種好處。

由于65納米對(duì)于設(shè)計(jì)規(guī)則的要求更嚴(yán)苛，因此面臨工藝技術(shù)很多挑戰(zhàn)，例如更狹窄的源極和漏極區(qū)所產(chǎn)生的更大寄生阻抗、更短的柵極寬度以及過孔更小的接觸面，這些都可能導(dǎo)致器件性能下降。為了解決這些問題，廠商開發(fā)出許多新型硅化物材料，它們可以減少接觸面電阻、源極/漏極寄生阻抗、柵極阻抗，避免性能的下降。

DRP的未來

要為A-GPS、數(shù)字電視、藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)、UMTS或其它無線傳輸接口開發(fā)數(shù)字射頻解決方案并不容易，因?yàn)樗鼈兊男枨蟛煌?，例如無線網(wǎng)絡(luò)需要更大頻寬，EDGE必須使用8-PSK調(diào)制機(jī)制、寬帶CDMA對(duì)于5MHz頻帶的線性特性也有許多要求。而先進(jìn)的DRP技術(shù)提供了一套滿足這些挑戰(zhàn)的方法。

更小的工藝尺寸有助于廠商為各種系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出數(shù)字射頻解決方案和單芯片解決方案，例如將DRP升級(jí)至65納米工藝的計(jì)劃已經(jīng)在進(jìn)行中。升級(jí)到更先進(jìn)的工藝會(huì)帶來很多不同的挑戰(zhàn)，解決此問題的關(guān)鍵是在研發(fā)初期就將工藝技術(shù)的開發(fā)和芯片設(shè)計(jì)方法緊密結(jié)合在一起。

圖3：數(shù)字收發(fā)器架構(gòu)。

模擬射頻不久的將來將從無線電行業(yè)消失，OEM廠商將開始生產(chǎn)更先進(jìn)的手機(jī)，并透過手機(jī)所包含的多種無線電功能提供各式各樣的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體廠商升級(jí)到更小的工藝尺寸，CMOS技術(shù)將成為射頻領(lǐng)域的主流技術(shù)。SiGe BiCMOS仍將用于雷達(dá)或某些微波系統(tǒng)等設(shè)備，移動(dòng)通訊基站也可能繼續(xù)采用這種工藝技術(shù)。

我們預(yù)期射頻電路將成為CMOS工藝技術(shù)的重要推動(dòng)力，不斷縮小的工藝技術(shù)會(huì)使得射頻噪聲處理、隔離和無源器件性能日益重要。邏輯電路的密度和速度也會(huì)是CMOS工藝發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?

許多手機(jī)必須內(nèi)建多種無線電路才能提供消費(fèi)者所期盼的功能，DRP顯然是它們未來應(yīng)走的道路。軟件無線電對(duì)于高效率使用無線電器件和減少器件數(shù)目固然重要，但電路板面積才是促使廠商整合射頻功能的主要因素。此外，耗電量和成本考慮也會(huì)讓模擬射頻工藝更快地淡出舞臺(tái)。

不同設(shè)計(jì)工程師可能選擇不同的集成方式，例如短期內(nèi)先將收發(fā)器與模擬或數(shù)字器件集成在一起，但就長(zhǎng)期而言，無線信號(hào)的所有處理操作最終仍將以數(shù)字方式進(jìn)行。接收信號(hào)會(huì)先通過天線、開關(guān)和濾波器，然后由采樣電路對(duì)低噪聲放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，此部份或許還會(huì)用到某些混頻信號(hào)處理，但之后所有功能就全是數(shù)字技術(shù)的天下。


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