用CMOS工艺集成通信处理架构中的射频信号链

　　消费者一直不断地期盼为手机和个人数字助理(PDA)增加更多的功能和方便性。结果导致这些产品不断地快速演进，从传统的语音和数据通信到移动环境下的许多令人愉悦的功能，例如音乐库、视频回放、交互式游戏、数字照相机以及移动电视等。除了需要支持蜂窝通信的多种移动标准外，如今的手机通常还必须支持无线局域网(WLAN)、超宽带(UWB)、蓝牙、定位系统(GPS)以及数字电视(DTV)等标准。实现上述功能需要采用多种不同的技术，而且需要在考虑其他业务存在的条件下同时运行多种无线和应用软件包。

　　便携式设备设计师面临许多挑战，因为消费者还要求设备具备以下能力，包括电子邮件、接收本地信息、在无线手机上通话、观看直播电视、电影、发送视频和图像等。此外，设计师还必须制定方针以便能够在移动终端中集成未来的宽带业务。

　　在3G时代，移动终端远远跨越了语音通信而演变为多媒体设备。而到了4G，手机中的高集成度电路还要支持多路技术。便携式系统设计师面临的挑战是将移动通信，计算机网络，个域网，广播技术等集成到一个系统中。一台4G设备不仅要支持现有的移动标准，包括GSM，GPRS，EDGE，UMTS，WCDMA，和HSDPA，而且还要支持100Mb/s～1Gb/s的数据率，具备IP核的功能，支持OFDMA调制，支持MIMO天线技术，以及支持VoIP/V2IP和网状组网。

　　技术挑战和解决方案

　　在集成射频信号链的竞赛中，手机设计师和他们的上游供货商所面临的技术挑战是不一样的。对于手机设计师来说，他们的挑战是寻找更高集成度的低功耗器件。而对于他们的供货商来说，则是寻找能够平衡各种工程技术的工艺技术，目的是在能够将更多的射频电路封装到芯片中的同时又能减小器件的尺寸。克服这些挑战，就需要能够更具成本效益地集成和精心规划整个信号链的灵巧设计方案。一项能够满足所有上述需求(包括大功率应用)的有效技术就是CMOS。

　　CMOS目前是单片集成电路领域的支配性技术，它驱动了整个通信领域的高速发展。该技术始终是数字基带处理方面的技术，在模拟器件中也经常使用，包括新型的收发器架构，在模数转换器(ADC)中也一直在用，还有锁相环(PLL)，滤波器，同相/正交调制器等。该技术也正在开始进入射频和微波器件领域。对于大功率应用来说，关键就是选择适当的CMOS工艺技术。而UltraCMO-一种绝缘硅技术(SOI)就能满足这一需求。

　　大功率CMOS工艺

　　UltraCMOS采用了SOI技术，在绝缘的蓝宝石基片上淀积了一层很薄的硅。类似CMOS，UltraCMOS能够提供低功耗，较好的可制造性，可重复性以及可升级性，是一种易用的工艺，支持IP块的复用和更高的集成度。

　　与CMOS不同的是，UltraCMOS能够提供与在手机、射频和微波应用领域普遍使用的GaAs或SiGe技术相匹敌甚至更好的性能。UltraCMOS和pHEMT GaAs都能提供相同级别的小信号性能并具有相当的网格通态电阻(net ON-resistance)。此外，UltraCMOS具有板上译码器/驱动器，同时能够提供比GaAs或SiGe更优异的线性度和防静电放电(ESD)性能。

　　对于更复杂的应用，如的多模式、多频带手机，选择合适的工艺技术更为关键。例如，在这些应用中，天线必须能够覆盖800～2200MHz的频段，开关必须能管理多达8路的大功率射频信号，同时还必须具有低插损，高隔离度，极好的线性度和低功耗。适当的工艺技术能够改善技术选项的可用性，进而改善天线和射频开关的性能，终改善器件的总体性能。更重要的是，如果工程师在整个设计中采用同一工艺技术，能够获取更高的集成度。

　　UltraCMOS RFIC方面的进展是SP6T和SP7T天线开关。这些符合3GPP的开关满足WCDMA和GSM的要求，使得设计师可以在兼容WCDMA/GSM的手机中使用一套射频电路，况且还实现了业界的性能。SP6T和SP7T天线开关采用了Peregrine公司的HaR技术，实现了如下的优异指标：二次谐波为-85dBc，三次谐波为-83dBc，2.14GHz上的三阶交调失真(IMD3)为-111dBm(图1)。

　　图1：HaRP-增强开关的IMD3性能超过了3GPP行业标准。

　　3GPP的线性度指标是比较高的，IP3为+65dBm。一般的竞争对手的该项指标约为+57dBm。而UltraCMOS SP7T的该项指标达到了+68dBm，改进了线性度并超过了3GPP标准的要求。对于天线的ESD耐压来说，其他技术一般只能达到0.5kV，而UltraCMOS SP7T开关的该指标却达到了4kV。

　　集成射频链

　　如今的手机设计师必须在一台小设备中支持多得前所未有的应用，故对更高集成度的需求也从未像今天这么大。提高集成有许多方式，不过减少系统中无源器件的数量是有用的方式。在手机终端电路中，不考虑接口标准的情况下，包括大约75～85%的无源元件，如电容器，电感器和电阻器等。例如，在Nokia 3300音乐手机中，共有406颗元件，但其中355颗是无源元件。所以，在新设计中减少无源元件的数量是一个重要因素。

　　减少射频元器件数量的方法之一就是采用无源集成技术，例如低温共烧陶瓷技术(LTCC)。不幸的是，由于互连和测试成本问题，这些集成的无源元器件只能适合于模块级实现。虽然模块可能更具成本效益(与分立方案相比)，但它们通常需要批量和大量的测试。

　　LTCC模块获得过成功的利用，如GSM手机中的天线开关模块(ASM)。ASM负责前端射频信号的路由和功率放大器的谐波滤波。而在早期的大量的双段或三段GSM手机中，采用的是PIN二极管与集成在基板上的无源元器件相结合的方案。但如今，在设计双段GSM手机时，ASM设计师的一个设计新趋势就是开始采用更高集成度的方案，例如UltraCMOS。

　　利用带有集成匹配电路和谐波滤波器的UltraCMOS SP6T和SP7T后，ASM中的元器件数量减少了60%。而且UltraCMOS采用单片方案，在集成设计中还省去了模块的封装以及芯片间互联问题。由于采用高绝缘的基板，UltraCMOS还可以被用来集成高Q的无源器件。此外，这些UltraCMOS还受益于良好的半导体工艺的可重复性，其电感容差约为2%，而电容容差约为5%。

　　在整个设计中采用同一工艺创造了实现高集成度的机会。目前CMOS已经广泛应用于手机中的IF和基带电路。进入射频前端领域可以进一步加速集成。图2对一个射频前端(2a)所用的多路技术方案与采用先进的UltraCMOS方案(2b)之间进行了相互比较。UltraCMOS器件中集成了低通滤波器，DC/DC变换器，控制器，译码器，驱动器以及天线匹配电路，故所用的元器件数量要比多路技术少。

　　图2：与多路技术开关方案相比，UltraCMOS方案能够实现射频信号链的高集成度。

　　降低功耗

　　在手机设计中两个耗电的部分就是基带处理器和射频前端。而功率放大器(PA)又消耗了射频前端中的绝大部分功率。实现低功耗的关键是使射频前端中的其他电路消耗尽可能少的功耗且不影响PA的工作。在目前所用的选择中，带译码器的GaAs开关吸纳的电流为600μA，而PIN二极管方案吸纳的电流为10mA，但在典型的射频前端应用中，UltraCMOS SP7T开关只吸纳10μA的电流。

　　在功耗管理设计中插入损耗是另一个考虑因素。这里考虑的重点是选择不影响PA效率的前端器件。通常，GSM手机中的PA工作在高达2W的饱和功率上，它们的功率增加效率(PAE)通常约为60%。这个级别的效率对延长手机的电池来说是至关重要的。但是，如果所用的前端架构具有较高的插入损耗，PAE将会降低。图3中针对四种不同的初始PAE值，给出了有效的PAE和插入损耗(从PA到天线之间)的关系。假定前端的插入损耗为1.5dB，一个PA的PAE将从初始的60%降低至42.5%。

　　图3：插入损耗将引起功率放大器的功率增加效率的降低。

　　设计师必须继续减小元器件尺寸，改进功能，将临界的相互作用减到，并研发更具成本效益的电路来使手机更小，功耗更低，并瞄准4G应用。当我们展望便携式通信设备的未来时，就必须考虑新的工艺技术来实现未来的目标。幸运的是，UltraCMOS为设计师提供了所需的优异性能，能够满足所要求的标准规范，还有超高的线性度，ESD耐压，以及潜在的综合性能。