无线通信领域中的模拟技术发展趋势

每个人都希望在各方面能获得更多实惠：体积更小、功能更多、用电更少、封装更好、成本更低，等等。特性越丰富，自然就越好，为了满足这一要求，今天的离散解决方案就是明天的集成解决方案。这就意味着更小、更省电、成本更低、可靠性更高这些因素将推动市场的发展。集成与创新是制造商获得市场成功所必须实现的关键目标。

　　目前，移动计算与通信设备很普通。数字电子技术的发展正是支持上述发展的驱动力，不过模拟电子技术发展也同样重要，二者缺一不可。

　　数字 "以 2 为基数"，也就是说信号不是一种状态就是另一种状态，不是"开"就是"关"，不是"真"就是"假"，不是"1"就是"0"，以此类推。

　　模拟信号在各种状态中连续工作。模拟信号是世间万物工作的方式，也是人类感官感知世界的方式。因此，要处理"现实"世界的光与声等信号，就需要模拟信号处理。

　　在蜂窝基站中，数字电子技术执行许多复杂的功能，通常在软件与固件控制下工作。而收发信号则需要模拟电子技术。数据转换器用于将信号从一个领域转换到另一个领域，即从数字转换为模拟并从模拟转换回数字。图 1 显示了发送 (Tx) 与接收 (Rx) 架构以及目前常用的相关半导体工艺。

　　发送侧架构的基本功能是通过在 DSP（数字信号处理器）或 ASIC（专用集成电路）中运行"程序"生成数字域信号，随后信号由被称作 DUC（数字上变频器）的专用数字电子设备进一步处理，再通过 DAC（数模转换器）转换为模拟信号，进行混合、过滤与放大，并通过天线发送。

　　接收侧的过程刚好相反。天线接收的模拟信号通过模拟电子设备放大、混合并过滤，再通过 ADC（模数转换器）转换为数字。一旦成为数字格式，则信号首先由被称为 DDC（数字下变频器）的专用电子设备处理，然后再由 ASIC 或 DSP 处理。许多蜂窝基站制造商都力图增强系统性能并降低尺寸与成本。有两种方法实现上述目标，一是功率放大器（PA）的线性化，二是电子设备的集成，近期就将朝这两个方向发展。

　　手机（手持终端）已成功地集成了收发功能。这也是基站设计的目标，不过基站所需的性能水平要高得多，因此现在要实现目标还很困难。

　　PA 线性化

　　为了满足频带外传输规范要求，PA（功率放大器）在较高的 A 类上工作，效率低于 10%。这需要大型器件以及大量电能。为了优化 PA 的尺寸与效率，我们正在开发线性化技术。简单的 PA 线性化方法之一就是降低波峰因数。降低波峰因数压缩了信号"峰值"并降低线性操作所需的平均功率。它也向信号添加"噪声"，这样所有可用的波峰因数降低约为 3dB，并仍可满足 BER（位误差率）的 EVM（误差向量值）规范。不过，3dB 还是 3dB。

　　此外，PA 线性化技术更大的突破是可使信号预失真。预失真是 PA 线性化的"法宝"，有望使 PA 效率优于 25%。不过这也非常复杂，并要求了解 PA 失真特性--而该特性的变化方式非常复杂。该方法的基本思路是使 PA 预失真，这样当传输信号经过PA 时就不会失真，并满足传输屏蔽 (mask) 的要求。挑战在于 PA 的失真（即非线性）特性会随时间、温度以及偏压 (biasing) 的变化而变化，因器件的不同而不同。因此，尽管能为一个器件确定特性并设计正确的预失真算法，但要对每个器件都进行上述工作在经济上则是不可行的。为了解决上述偏差，我们须使用反馈机制，对输出信号进行采样，并用以校正预失真算法。

　　集成：常见功能与常见技术

　　蜂窝基站的另一发展趋势符合人们对电子技术的期待，也就是集成更多功能。集成的目的在于让功能模块变得更小，降低功耗，减少成本并提高可靠性。

　　集成通常采取的步就是将多个部件放在一个封装中。因此，我们的分集接收机采用一个双功能部件，而不是采用两个 ADC。另一种方法就是集成使用相同工艺技术的功能。因此，放大器与混频器可以集成在一起。

　　架构发展是减少组件数量并提高性能的另一种方法。其实例之一就是使用正交调制器与解调器。

　　显示了包括 PA 线性化集成度更高的发送器。在该例中，波峰因数降低技术(CFR) 与数字预失真 (DPD) 都借助 DSP 或微处理器 (μC) 控制集成到单芯片中。为了实现分集，我们使用两条发送路径，并在一个部件中集成了多个 DUC。可以看出，正交调制需要两个双 DAC，而放大器也组合到调制器中。发送信号的采样在 PA 进行，并像上面介绍的那样反馈用于线性化目的。这基本上是一个接收路径，带有集成放大器与混频级，一个封装中有两个 ADC。

　　图 3 给出了带有分集接收机集成度更高的接收机。每个信道都集成了 LNA（低噪声放大器），带有正交解调器、滤波功能、可变增益以及双 ADC。通过使用正交解调，可用更简单的 Nyquist 滤波器及抽选滤波器替代了 DDC 功能。

　　集成：数字与模拟

　　真正的挑战来自在单芯片上混合数字与模拟功能。高频数字逻辑会产生"噪声"，"噪声"通过电源、其他共用连接以及辐射状的 (radiated) 路径传导。噪声在模拟电路中至关重要，因为它决定着信噪比(SNR)，而信噪比则是模拟系统中动态范围的关键品质因素。高性能数字意味着逻辑速度快，高性能模拟意味着动态范围高，将两者放置在同一 PCB（印制电路板）上需要很高的工程设计技巧，在芯片级上进行集成会更困难。

　　尽管先进的模拟电压近成功地从 12V 下降到 5V 与 3.3V，不过他们很难再降低，达到数字内核电压目前的水平。这是由于噪声在工作电压下降时不下降，因此模拟工作电压必须保持在足够的高度才能提供良好的 SNR。较低的电压不足以提供高动态范围模拟信号所需的性能空间。

　　的数字工艺不包括高性能模拟组件。此外，的数字工艺与的模拟工艺之间在工艺特性尺寸上有很大差距。例如，德州仪器 (TI) 刚投产的型 DSP 采用了 C027 90nm 制造工艺，而 TI 高性能模拟工艺 HPA07 与 BiCom-III 则基于 350nm 的 CMOS 工艺。

　　模拟工艺的起点是稳定的数字工艺。不管数字工艺晶体管提供什么线性功能，都作为片上模拟功能。即使如此，在工艺早期阶段，我们的重点仍是数字；而模拟功能只限于那些不需要额外工艺步骤或修改的项目。一旦工艺成熟并成功制造系列的高速逻辑产品，则数字工艺开发人员接下来就会开始下一工艺节点的工作，模拟组件设计人员就会努力采用该工艺推出更高的模拟功能。开发与改进模拟组件需要时间。高性能模拟工艺推出的时间通常比基本数字工艺的投产要晚几年。

　　TI 的 HPA07 与 BiCom-III 先进模拟工艺建立在 350nm CMOS 工艺基础上，该工艺初开发用于数字组件。因此，二者都有着广泛的数字库。基本 CMOS 工艺的电源要求与速度使其目前不适用于的 DSP 与 ASIC。同时，工艺的成熟也使模拟组件设计人员能够推出高度化的工艺，可满足各种不同终端设备应用的不同产品需要。

　　HPA07

　　HPA07 模拟 CMOS 工艺为通信以及其他系统的低噪声而设计，在上述应用中，模拟与高速数据功能必须共存，并须尽可能减小信号干扰。该工艺有助于模拟集成，实现了良好的逻辑门密度、较好的模拟组件性能，并提供埋层隔离使模拟信号免受高频数字电路的干扰。

　　HPA07 集成了 5V 与 3.3V 数字逻辑器件以及存储器，并添加了专门用于模拟功能的晶体管与无源组件。该工艺经过精心设计，符合噪声、晶体管线性以及组件匹配与稳定性方面的高性能标准。它极其适用于运算放大器、ADC、DAC、电压参考与稳压器以及仪表放大器。HPA07 还可实现多达 40 个组件的灵活设计，同时还以相当少的屏蔽使成本保持在可控范围之内。

　　HPA07 CMOS 晶体管噪声与失真都很低，它们采用掩埋信道 PMOS 技术制造，为此类器件实现了极高的增益带宽/噪声比。带有很低温度系数的激光微调硅铬 (SiCr)薄膜电阻器可在整个工作温度范围内实现稳定性。晶圆的单独处理可实现 16 位初始 (initial) 电阻器匹配，比业界典型情况多出四位。它还具有漏极扩展 (drain-extended) CMOS 晶体管，可为高振幅信号应用处理高达 30V 的电压。

　　此外，HPA07 提供了电压系数提高 4 倍的金属-绝缘体-金属 (MIM) 电容器，并提供了高 TiN 聚合物 (TiN-Poly) 电容器、较厚的铜金属路由层与存储器。这些特性使模拟工艺能够推出高集成产品。

　　OPA300 与 OPA301 只是该工艺生产的众多产品中的初产品而已。它们具有 150MHz 的单位增益带宽、3nV/√Hz 的低电压噪声以及 30ns 内 0.1% 的建立时间。OPA300 采用工作电压为 2.7V (±1.35V) 至 5.5V (±2.75V) 的单电源供电，并具有关机功能，可将电源电流降低至 5μA，这对便携式低功耗应用非常有用。它们为驱动高速 SAR ADC 提供了低功耗单电源解决方案，同时还不影响性能。

　　BiCom-III

　　BiCom-III 是一种硅锗 (SiGe) 工艺，为超高模拟集成电路而开发。它是一种电介质绝缘的硅 (Si) 基工艺，并在基区加锗 (Ge)。基区加锗大大提高了载流子迁移率，实现了极快的瞬态时间。该工艺实现了真正互补的双极 NPN 与 PNP 晶体管，传输频率 (fT) 为 18GHz，频率 (fmax) 为 40-60GHz。互补晶体管可实现 AB 类放大器级，这对设计高速、高性能模拟电路至关重要。该工艺实现的速度是较早工艺的三倍。

　　高速模拟设计技术的其他优势在于：金属-绝缘体-金属 (MIM) 电容器电压系数很低、电阻匹配 (0.1%)、电介质绝缘 (DI)（也称作绝缘硅 (SOI)）。该工艺技术降低了寄生电容，并为增大的线性度生成很高的晶体管电流与增益尔利 (early) 电压乘积（β×VA）。

　　BiCom-III 工艺先进性能的实例之一是 THS4304。它是首款单位增益稳定的 3GHz电压反馈运算放大器。它设计用于高性能高速模拟信号处理链中，在 +5V 单电源下工作。

　　THS4304 可提供 3GHz -3dB 的单位增益带宽、830V/μs 的转换速率、+45dBm 的三阶输出截取 (OIP3)@20MHz、2.8nV/√Hz 输入噪声以及 7.5ns 建立时间内达到 0.01%，与此同时仅消耗 90mW 的静态功率。

　　要想了解 THS4304 独树一帜的性能，不妨将它与图 4 所示的主要 (premier) ±5V 运算放大器进行比较。竞争产品 X 对小至 +2V/V 的增益进行内部补偿，许多设计人员都认为它是现有失真的 ±5V 运算放大器之一。

　　该图显示了在 5V 电源下工作的 THS4304 与在 ±5V 电源下工作的竞争部件的二阶及三阶谐波失真 (HD2 & HD3) 性能。每个放大器的增益都是 +2V/V，将 2Vp-p 传动到 100? 负载。请注意，尽管 THS4304 对单位增益 (G=+1V/V) 进行补偿，且所需的补偿要高于就 G=+2V/V 的补偿情况，但在电源电压减半的情况下仍然具有的失真性能。

　　结论

　　新型工艺技术正推动用于蜂窝基站的高性能组件的集成。这一推进力量与拓扑及创新型设计解决方案（如正交调制器与解调器）方面的进步以及 PA 线性化技术的结合，将降低成本、降低功耗需求、减小尺寸、提高可靠性，使未来的基站在尺寸上更小巧。要在单个器件上集成所有数字与模拟功能，工艺技术还有很长的路要走，而要想以低成本实现上述目的，则要走的路还更长。