浅谈硅工艺单芯片射频发射器作用

　　射频射器的作用相当于一个小型的电台。原理就是，我们用的收音机有个主要装置叫调制解调器。用来解开电磁波的。发射器的主要装置是一个加载器 用来产生电磁波传递信息的

　　Sub-GHz（即频率为1GHz以下，27MHz~960 MHz）是无线通信的重要领域之一，应用涵盖消费电子、汽车、工业，和医疗等，如：TV/STB/VCR/DVD/音频设备遥控器、高端无线玩具、车库门遥控开关、照明控制、门遥控开关、无线POS机、无线健康监测器、穿戴式监控设备等，应用非常广泛。

　　高性能模拟与混合信号IC厂商Silicon Laboratories（芯科实验室有限公司）近日发布EZRADIo无线IC解决方案Si4010，该方案可大幅降低各种用在消费类、工业控制和自动化系统中单向无线链路的成本和复杂度。

一  遥控方案的挑战与产品特征

　　全新的Si4010系统单芯片射频发射器（下图）能让开发人员化遥控门锁、车库门开启器、遥控器、楼宇自动化系统和安防装置的设计，以的系统成本达到的性能，同时还能确保完整的单向链路。

　　“遥控方案的挑战一般表现为对更高成本效益的要求、传输距离、电池寿命、PCB面积等。传统的基于SAW（表面声波）的发射器为多分立器件，仅支持单一频率和单一OOK调制模式。除了性能不稳定，灵敏度受器件性能影响，产品生产效率也较低，”Silicon Laboratories公司嵌入式混合信号无线产品线产品经理Yijing Lawrence Der博士指出，Si4010射频发射器为单芯片遥控IC，仅需一个外部旁路电容、一块印制电路板、电池和一个带按键的外壳便能构成完整的无线遥控器。 Si4010采用高可靠性的无晶体振荡器架构，无需外部时钟源，也不受冲击和震动影响。其载波频率度在商业温度范围内为±150 ppm，在工业温度范围内则可达±250 ppm，它的度比传统的（SAW）发射器高出两倍，且无需使用外部晶体振荡器；价格节省0.77美元。当然Si4010突出的技术还是自动天线调谐，该功能可化发射距离，提供稳定的输出功率，有效减少对遥控器的不利影响，并提高生产效率。

二  天线自动调节技术

　　天线自动调谐功能基于Silicon Labs的技术，是Si4010的特色之一；它配备一个反馈回路，可以探测到放大器的输出功率。Lawrence Der表示，天线自动调谐功能可有效降低功耗且不会造成抖动（Jitter）。他说，它的调谐功能主要有两个，一是保证稳定的电力供应，这是一个比较新的应用；二是调谐回馈频率的功能，监控电压，保证达到输出电量，另外它没有延迟的问题，因为反馈非常快，可以调节电流的大小。与电子元器件的运转相比，人体的动作是非常慢的，就不会造成延迟的问题。另外，它的能耗较低，MCU在硬件和软件两方面来实现功能。

　　Lawrence Der还强调，Silicon Labs的混合信号IC集成程度非常高，在我们的架构里，既有模拟信号也有数字信号，简单来讲，模拟部分是射频，数字部分为MCU。传统的设计中，射频的性能很容易受到干扰，但是Silicon Labs在这个领域有很多年的经验，已解决了这个问题。

三  硅工艺的优势

　　BiCMOS结构，一般由CMOS单元和npn晶体管组成。随着应用的不同，BiCMOS结构也有不同程度或不同形式的变化，如可能是CMOS单元同双极横向晶体管结构的结合，也可能是功率MOS同双极结构的结合，其结构的变化，是由应用电路的结构和性能需求决定的。BiCMOS技术是双极技术的速度和驱动能力优势与CMOS技术的高密度和低功耗优势的完美结合。

　　在BiCMOS工艺中，一般有4种有源器件，分别是CMOS单元结构中的PMOS和NMOS晶体管以及双极结构中的npn和pnp晶体管。其中MOS晶体管的重要参数开启电压Vt，在工艺上主要取决于栅氧化和调节注入，因此工艺简单较易控制。而双极纵向pnp和npn晶体管的重要参数“共发射极电流放大系数β”，在工艺上主要是受两次扩散结深之差形成的基区的影响，如定量上称为基区宽度的Wb是影响纵向晶体管参数β的重要的工艺参数。另外，两次扩散形成的基区杂质分布是非均匀的，基区中电流和其它电流如发射极电流和集电极电流的方向是相垂直的，基区扩展电阻引起发射区下面的电流是非均匀分布，纵向晶体管的电流分布又是二维且不均匀，这些因素给定量分析和计算带来较大的难度。因此，在工艺操作过程中，其β的控制往往是由工艺实践确定。

　　传统的双极技术虽然具有速度快、电流驱动能力强和模拟电路高等优点，但其功耗大和集成度低却不能适应现代大规模集成技术的发展需要。MOS技术虽在高集成度、低功耗、强抗干扰能力等方面有着双极电路不可比拟的优势，但在高速、大电流驱动应用电路场合却无能为力。可见无论是单一的CMOS，还是单一的双极技术都无法满足大规模集成系统多方面性能的综合要求，因此融合了两种技术优势的BiCMOS新技术便是集成电路发展的必然产物。

　　在进行射频通讯时需要一个有明确界定的频率，Silicon Labs曾推出基于CMOS的 Si500晶振产品，如今在Si4010中也采用了Si500。Lawrence Der说：“相比基于SAW和有晶振的两种发射器设计，CMOS工艺更加灵活，可面向任意频率。且频率更加精准，我们的优点是集成度高，可降低成本，对外部的冲击和振动干扰也有很好的防御效果。另外，在产品线上，Silicon Labs对每一块芯片都会严格测量它温度和频率变化的关系，以保证产品能达到的效果。”

四  经过优化的8051内核

　　单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。　

    8051是非常普及的低成本内核，Si4010采用经过优化的8051作为其控制单元。Lawrence Der表示，经过Silicon Labs定制的8051 MCU具有4kB RAM/8kB NVM和128位EEPROM，其ROM集成了函数功能集。该MCU的突出特点是支持128位AES加密和片上调试器。“Silicon Labs的产品线非常广泛，较高端的产品会集成ARM内核，Si4010集成8051内核的设计是基于客户的需求：首先是成本，其次更重要的是该领域工程师大多用8051进行开发，因此可降低技术门槛，加快上市速度。”