中心議題：

• 討論RF大規模集成減少手機線路板麵積和功耗

解決方案：

• 進行更大規模的RF集成
• 發展成為完全集成的係統級芯片

如今的無線設備中，線路板上一半以上的元件都是模擬RF器件，因此要縮小線路板麵積和功耗一個有效方法就是進行更大規模RF集成

，並向係統級芯片方向發展。本文介紹RF集成發展現狀
，並對其中一些問題提出應對方法和解決方案。

jinianyiqian

，fengwoshoujishichanghaishidanpinheshuangpindanmoshoujizhanzhudaodiwei，qishiyongdejishujinzhichiyigehuolianggefengwopinduan
，zaisuoyouzhichipinduanzhongcaiyongxiangtongdetiaozhifangfa


、多路訪問方案和協議。相比而言，今天的新一代蜂窩電話設計要複雜得多，能提供多頻段、多模式支持，具有藍牙個人區域網絡、GPS定位等功能
，而且超寬帶和電視接收功能已經開始出現
，此外像遊戲

、圖像
、音頻和視頻等應用在手機中也已變成非常普遍。

無wu線xian電dian話hua正zheng在zai成cheng為wei所suo謂wei的de手shou持chi個ge人ren娛yu樂le中zhong心xin這zhe樣yang一yi種zhong複fu雜za設she備bei，其qi發fa展zhan趨qu勢shi對dui設she計ji人ren員yuan不bu斷duan帶dai來lai更geng多duo挑tiao戰zhan。雖sui然ran相xiang比bi於yu隻zhi有you語yu音yin功gong能neng的de手shou機ji而er言yan，新xin一yi代dai手shou機ji在zai通tong信xin處chu理li
、應用處理
、射頻接口數量以及集成存儲器容量等方麵都有了大幅增長，但用戶仍期盼手機具有更小體積、流liu線xian型xing外wai形xing和he低di價jia位wei，而er且qie要yao有you大da的de彩cai色se顯xian示shi屏ping，能neng提ti供gong與yu傳chuan統tong語yu音yin手shou機ji相xiang似si的de待dai機ji和he通tong話hua時shi間jian。保bao持chi現xian有you的de外wai形xing尺chi寸cun和he功gong耗hao，卻que要yao使shi功gong能neng呈cheng指zhi數shu倍bei增zeng長chang，同tong時shi還hai要yao維wei持chi總zong體ti係xi統tong成cheng本ben不bu變bian
，這zhe些xie都dou給gei係xi統tong設she計ji人ren員yuan提ti出chu了le大da量liang的de難nan題ti。

顯xian然ran，問wen題ti涉she及ji整zheng個ge係xi統tong設she計ji的de各ge個ge部bu分fen
，以yi及ji所suo有you無wu線xian通tong信xin和he娛yu樂le內nei容rong的de供gong應ying商shang們men。在zai減jian少shao線xian路lu板ban麵mian積ji和he功gong耗hao方fang麵mian特te別bie有you效xiao的de一yi個ge領ling域yu是shi無wu線xian係xi統tong設she計ji的deRF部分
，這是因為在今天典型的移動電話中，線路板上的元件有一半以上是模擬RF元件
，這些元件加在一起占據了整個線路板麵積的30-40%
，增加諸如藍牙
、GPS和 WLAN之類的射頻係統還會極大增加對空間的要求。

解決方案是進行更大規模的RF集(ji)成(cheng)，並(bing)最(zui)後(hou)發(fa)展(zhan)成(cheng)為(wei)完(wan)全(quan)集(ji)成(cheng)的(de)係(xi)統(tong)級(ji)芯(xin)片(pian)。有(you)些(xie)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)將(jiang)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)放(fang)到(dao)天(tian)線(xian)中(zhong)，使(shi)射(she)頻(pin)功(gong)能(neng)所(suo)需(xu)總(zong)線(xian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)為(wei)之(zhi)減(jian)少(shao)
，當(dang)半(ban)導(dao)體(ti)集(ji)成(cheng)技(ji)術(shu)在(zai)單(dan)個(ge)器(qi)件(jian)中(zhong)能(neng)集(ji)成(cheng)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng)時(shi)

，分(fen)立(li)器(qi)件(jian)數(shu)目(mu)及(ji)用(yong)來(lai)容(rong)納(na)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)的(de)線(xian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)就(jiu)都(dou)相(xiang)應(ying)減(jian)少(shao)了(le)。隨(sui)著(zhe)業(ye)界(jie)向(xiang)係(xi)統(tong)級(ji)芯(xin)片(pian)集(ji)成(cheng)發(fa)展(zhan)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)還(hai)將(jiang)不(bu)斷(duan)發(fa)現(xian)新(xin)技(ji)術(shu)
，以(yi)滿(man)足(zu)小(xiao)型(xing)無(wu)線(xian)設(she)備(bei)中(zhong)更(geng)高(gao)RF複雜性和延長電池壽命這兩者之間的矛盾。

RF集成發展現狀

RF集成一個重要的發展出現在大約三年以前，當時RF技ji術shu和he數shu字zi基ji帶dai調tiao製zhi解jie調tiao器qi的de發fa展zhan使shi得de在zai無wu線xian手shou機ji中zhong用yong直zhi接jie下xia變bian頻pin接jie收shou器qi替ti代dai超chao外wai差cha射she頻pin器qi件jian成cheng為wei可ke能neng。超chao外wai差cha射she頻pin器qi件jian使shi用yong多duo級ji混hun頻pin器qi、濾波器和多個電壓控製振蕩器（VCO）
，已經很好地應用了多年
，但直接變頻射頻器件的集成度能夠大大減少GSM RF總體元件數。在上世紀九十年代後期
，一個典型的單頻段超外差RF子係統包括PA
、天線開關、LDO、小信號RF和VCTCXO，需要大約200個分立器件；今天
，我們能夠設計一個具有四頻段功能的直接變頻係統，集成了VCO
、VCXO和PLL回路濾波器，而它的元件數卻少於50個。 [page]
如德州儀器用於GSM的收發器TRF6151（圖1），集成在上麵的功能包括片上電壓調節器

、VCO和VCO槽路、PA功率控製
、PLL回路濾波器EDGE阻塞器檢測、LNA增益分步控製及VCXO。

對於設計人員來講
，先進的集成有助於克服無線RF中一些大的難題，其中最基本的一個是收發器的DC電源及其調節。在通話時，隨著溫度和時間變化

，電池電壓會變化，此外，來自TX VCO和RX VCO電dian源yuan的de噪zao聲sheng耦ou合he也ye會hui影ying響xiang整zheng個ge係xi統tong的de性xing能neng

，因yin而er設she計ji人ren員yuan麵mian臨lin著zhe如ru何he解jie決jue射she頻pin線xian路lu板ban調tiao節jie器qi和he大da多duo數shu相xiang關guan無wu源yuan元yuan件jian的de問wen題ti。將jiang這zhe些xie器qi件jian集ji成cheng在zai射she頻pin收shou發fa器qi中zhong意yi味wei著zhe唯wei一yi所suo需xu的de外wai部bu元yuan件jian就jiu是shi簡jian單dan的de去qu耦ou電dian容rong，這zhe種zhong直zhi接jie與yu電dian源yuan相xiang連lian的de特te性xing不bu僅jin簡jian化hua了le設she計ji，也ye節jie省sheng了le線xian路lu板ban空kong間jian。

RF設計人員麵臨的另一個挑戰是VCO調諧範圍和鎖定時間。在所有模擬VCO設計中。因為常常需要對鎖定時間和調諧範圍進行平衡
，所以回路濾波器一般放在芯片外部。有時候，這可以在VCO調諧範圍的軟件控製中解決

，然而這個方法對電話整體開發提出了額外的資源要求。當數字調諧功能包括在VCO中(zhong)且(qie)能(neng)提(ti)供(gong)自(zi)校(xiao)準(zhun)時(shi)，就(jiu)可(ke)得(de)到(dao)一(yi)個(ge)擴(kuo)展(zhan)的(de)調(tiao)諧(xie)範(fan)圍(wei)，回(hui)路(lu)濾(lv)波(bo)器(qi)元(yuan)件(jian)就(jiu)能(neng)放(fang)在(zai)芯(xin)片(pian)中(zhong)。顯(xian)然(ran)
，這(zhe)一(yi)方(fang)案(an)可(ke)使(shi)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)簡(jian)化(hua)他(ta)們(men)的(de)工(gong)作(zuo)。

為獲得GSM係統所需的發送器功率控製
，PA製造商一般都將這一功能包括在功率放大器模塊（PAM）中。功率控製器通常由多達幾千個數字CMOS門組成
，製作在PAM內一個獨立的芯片中，該元件會使PAM的成本增加0.30-0.40美元。把這一功能集成到射頻器件中將使GaAsPAM製造商不必采購數字CMOS電路和將它們裝入 PAM中，對於一個每月生產成千上萬產品的OEM來講

，去掉這個多餘的元件將大大降低他們的成本。

先進集成能帶來實質性節約的另一個領域是VCXO。在過去，要購買昂貴的VCTCXO模塊作為分立元件設計在射頻器件中，所以將VCTCXO模塊常用元件並入射頻器件中能減少費用和相關設計問題，利用TRF6151僅需要一個低價位的晶體和變容二極管就能完成VCTCXO的功能。

雖然有了這些集成和設計簡化，RF設計工程師依然麵臨著困難的抉擇，其中之一是輸入靈敏度和RX功耗。眾所周知，低噪聲放大器（LNA）設(she)計(ji)中(zhong)所(suo)用(yong)的(de)電(dian)流(liu)越(yue)大(da)
，總(zong)體(ti)噪(zao)聲(sheng)特(te)性(xing)就(jiu)越(yue)低(di)。設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)必(bi)須(xu)判(pan)定(ding)接(jie)收(shou)器(qi)的(de)總(zong)功(gong)率(lv)預(yu)算(suan)，以(yi)及(ji)接(jie)收(shou)器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)水(shui)平(ping)要(yao)求(qiu)。但(dan)是(shi)噪(zao)聲(sheng)並(bing)不(bu)隨(sui)功(gong)率(lv)減(jian)少(shao)而(er)減(jian)少(shao)
，事(shi)實(shi)上(shang)正(zheng)好(hao)相(xiang)反(fan)。所(suo)以(yi)雖(sui)然(ran)能(neng)滿(man)足(zu) GSM標準規範，設計人員也必須經常問自己，為達到某個靈敏度水平而在功耗上付出代價是否值得。這個問題也說明對設計工程師和IC製造商來講為什麼在整個設計過程中密切配合非常必要，從設計工程師處得到的反饋能夠引導IC製造商在開發未來RF產品時更好地為無線業界服務。

向SoC發展

降低無線係統的成本、功(gong)率(lv)和(he)複(fu)雜(za)性(xing)對(dui)於(yu)成(cheng)功(gong)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)度(du)要(yao)求(qiu)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)
，然(ran)而(er)，開(kai)發(fa)移(yi)動(dong)電(dian)話(hua)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)方(fang)案(an)需(xu)要(yao)半(ban)導(dao)體(ti)業(ye)界(jie)克(ke)服(fu)複(fu)雜(za)的(de)技(ji)術(shu)障(zhang)礙(ai)，這(zhe)些(xie)障(zhang)礙(ai)有(you)些(xie)很(hen)少(shao)被(bei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)所(suo)關(guan)心(xin)，因(yin)為(wei)他(ta)們(men)很(hen)多(duo)人(ren)並(bing)不(bu)想(xiang)知(zhi)道(dao)SoC器(qi)件(jian)是(shi)怎(zen)麼(me)製(zhi)成(cheng)的(de)
，而(er)隻(zhi)要(yao)能(neng)提(ti)供(gong)所(suo)需(xu)性(xing)能(neng)就(jiu)行(xing)了(le)。所(suo)以(yi)，很(hen)有(you)必(bi)要(yao)對(dui)一(yi)些(xie)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)作(zuo)一(yi)個(ge)快(kuai)速(su)的(de)了(le)解(jie)
，這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)將(jiang)影(ying)響(xiang)蜂(feng)窩(wo)手(shou)機(ji)集(ji)成(cheng)所(suo)用(yong)器(qi)件(jian)的(de)能(neng)力(li)和(he)可(ke)用(yong)性(xing)。
[page]
手機射頻電子係統集成有幾種可行方案。首先
，可以使用傳統技術在一個相對簡單的雙極型或BiCMOS工藝中實現一個傳統射頻架構

，最終的射頻芯片可以用多芯片封裝技術（係統級封裝技術）yushoujishuziluojigongnengzuzhuangzaiyiqi。suiranzheyijishuyouhenduoyoudian，rucaiyongleshuxideshepinshejifangfahechengshudegongyihejishu，danceshiqijiangaoangdefeiyonghechengpinlvxianzhishitahennanshixianshangyonghua。

另外還有一種方法
，手機電子係統集成也可用先進BiCMOS（SiGe）晶圓工藝得到。然而由於處理 SiGe HBT器件需要額外的光刻工序，因此最後的芯片將需要一個額外的費用
，同時因為SiGe BiCMOS技術不能利用最先進的光刻工藝，所以通常BiCMOS工藝落後於先進的數字CMOS工(gong)藝(yi)。這(zhe)些(xie)都(dou)會(hui)給(gei)增(zeng)加(jia)手(shou)機(ji)特(te)性(xing)並(bing)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)帶(dai)來(lai)巨(ju)大(da)的(de)壓(ya)力(li)
，它(ta)不(bu)可(ke)能(neng)用(yong)簡(jian)單(dan)的(de)晶(jing)圓(yuan)工(gong)藝(yi)策(ce)略(lve)來(lai)解(jie)決(jue)
，因(yin)為(wei)這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)無(wu)法(fa)在(zai)所(suo)有(you)時(shi)間(jian)保(bao)持(chi)係(xi)統(tong)邏(luo)輯(ji)或(huo)數(shu)字(zi)部(bu)分(fen)都(dou)是(shi)最(zui)低(di)可(ke)能(neng)價(jia)位(wei)，所(suo)以(yi)在(zai)BiCMOS（或SiGe）中係統基帶功能射頻部分進行單片集成不是一個很好的選擇。

可以考慮的最後方案是在CMOS中進行射頻集成，這一方法也麵臨相當大的挑戰。雖然已經有幾種CMOS蜂窩射頻設計
，但這些設計很大程度是建立在模擬功能上。用CMOS技術來實現模擬混頻器、濾波器和放大器是很困難的，而且功耗一般要大於 SiGe BiCMOS方案。隨著工藝技術的發展
，CMOSedingdianpingyuelaiyuedi，zheshimonishejigengweikunnan。zaikaifaxingongyizaoqi，qijianjianmohegongyichengshuxingyibandoubunengmanzumonimokuaishejisuoxudegaojingducanshujianmoyaoqiu，buguo
，zuijinkaifadeshuziCMOS射頻架構使單片CMOS集成變得更有吸引力。

在製造商尋求低成本RF係xi統tong級ji芯xin片pian方fang案an時shi，這zhe些xie方fang案an也ye驅qu動dong著zhe半ban導dao體ti工gong業ye向xiang前qian發fa展zhan。盡jin管guan每mei種zhong集ji成cheng方fang案an都dou有you困kun難nan
，但dan射she頻pin元yuan件jian集ji成cheng能neng達da到dao如ru此ci高gao的de水shui平ping確que實shi也ye令ling人ren感gan到dao驚jing訝ya。克ke服fu這zhe些xie困kun難nan將jiang使shi無wu線xian手shou機ji設she計ji向xiang前qian跨kua越yue一yi大da步bu，並bing為wei不bu久jiu將jiang來lai更geng大da的de集ji成cheng設she立li了le方fang向xiang。

本文結論

在RF集成方麵依然有許多難題。現代手機的每一個射頻器件都麵臨著嚴格的性能要求，靈敏度要求大約為-106dBm（1毫瓦以下106dB）或更高，而相應的電平隻有幾個微伏；另外選擇性也即有用通道對相鄰頻段的拒絕能力（通常稱為阻塞）應為60dB數量級；此(ci)外(wai)係(xi)統(tong)振(zhen)蕩(dang)器(qi)要(yao)求(qiu)運(yun)行(xing)在(zai)非(fei)常(chang)低(di)的(de)相(xiang)噪(zao)聲(sheng)下(xia)，以(yi)防(fang)止(zhi)折(zhe)疊(die)阻(zu)塞(sai)能(neng)量(liang)進(jin)入(ru)接(jie)收(shou)頻(pin)段(duan)。由(you)於(yu)涉(she)及(ji)到(dao)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)和(he)極(ji)苛(ke)刻(ke)的(de)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)，射(she)頻(pin)集(ji)成(cheng)是(shi)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)的(de)。

處理多頻率標準為整個SoC頻pin率lv帶dai來lai一yi個ge真zhen正zheng的de挑tiao戰zhan，希xi望wang能neng夠gou減jian輕qing帶dai內nei信xin號hao傳chuan輸shu產chan生sheng的de激ji勵li，向xiang數shu字zi射she頻pin集ji成cheng所suo包bao括kuo的de內nei容rong要yao比bi將jiang多duo個ge射she頻pin元yuan件jian放fang在zai一yi個ge芯xin片pian中zhong多duo得de多duo，需xu要yao有you一yi個ge硬ying件jian共gong享xiang的de新xin架jia構gou。

對於係統設計人員來講
，目前簡單、高集成度
、節省成本的半導體器件能夠大大降低設計複雜性，與此同時它們又能夠豐富無線器件的特性且保持係統尺寸、電池壽命和費用不變。新的高集成度RF器件還可以消除一些無線設計中的爭論，節約工程師們寶貴的時間。