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。

幾ji年nian以yi前qian，蜂feng窩wo手shou機ji市shi場chang還hai是shi單dan頻pin和he雙shuang頻pin單dan模mo手shou機ji占zhan主zhu導dao地di位wei
，其qi使shi用yong的de技ji術shu僅jin支zhi持chi一yi個ge或huo兩liang個ge蜂feng窩wo頻pin段duan
，在zai所suo有you支zhi持chi頻pin段duan中zhong采cai用yong相xiang同tong的de調tiao製zhi方fang法fa、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。

xianran，wentishejizhenggexitongshejidegegebufen
，yijisuoyouwuxiantongxinheyuleneirongdegongyingshangmen。zaijianshaoxianlubanmianjihegonghaofangmiantebieyouxiaodeyigelingyushiwuxianxitongshejideRF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RFjicheng，bingzuihoufazhanchengweiwanquanjichengdexitongjixinpian。youxieshejirenyuanjiangmoshuzhuanhuanqifangdaotianxianzhong
，shishepingongnengsuoxuzongxianlubankongjianweizhijianshao
，dangbandaotijichengjishuzaidangeqijianzhongnengjichenggengduogongnengshi
，fenliqijianshumujiyonglairongnazhexieqijiandexianlubankongjianjiudouxiangyingjianshaole。suizheyejiexiangxitongjixinpianjichengfazhan，shejirenyuanhaijiangbuduanfaxianxinjishu，yimanzuxiaoxingwuxianshebeizhonggenggaoRF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RFjishuheshuzijidaitiaozhijietiaoqidefazhanshidezaiwuxianshoujizhongyongzhijiexiabianpinjieshouqitidaichaowaichashepinqijianchengweikeneng。chaowaichashepinqijianshiyongduojihunpinqi
、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、gonglvhefuzaxingduiyuchenggongmanzuxitongjichengduyaoqiushifeichangzhongyaode，raner
，kaifayidongdianhuagaojichengdufanganxuyaobandaotiyejiekefufuzadejishuzhangai，zhexiezhangaiyouxiehenshaobeishejirenyuansuoguanxin，yinweitamenhenduorenbingbuxiangzhidaoSoC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）與(yu)手(shou)機(ji)數(shu)字(zi)邏(luo)輯(ji)功(gong)能(neng)組(zu)裝(zhuang)在(zai)一(yi)起(qi)。雖(sui)然(ran)這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)有(you)很(hen)多(duo)優(you)點(dian)
，如(ru)采(cai)用(yong)了(le)熟(shu)悉(xi)的(de)射(she)頻(pin)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)和(he)成(cheng)熟(shu)的(de)工(gong)藝(yi)和(he)技(ji)術(shu)，但(dan)測(ce)試(shi)器(qi)件(jian)高(gao)昂(ang)的(de)費(fei)用(yong)和(he)成(cheng)品(pin)率(lv)限(xian)製(zhi)使(shi)它(ta)很(hen)難(nan)實(shi)現(xian)商(shang)用(yong)化(hua)。

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CMOSgongyi。zhexiedouhuigeizengjiashoujitexingbingjiangdichengbendailaijudadeyali，tabukenengyongjiandandejingyuangongyicelvelaijiejue
，yinweizheyijishuwufazaisuoyoushijianbaochixitongluojihuoshuzibufendoushizuidikenengjiawei
，suoyizaiBiCMOS（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
；ciwaixitongzhendangqiyaoqiuyunxingzaifeichangdidexiangzaoshengxia
，yifangzhizhediezusainengliangjinrujieshoupinduan。youyushejidaofeichanggaodepinlvhejikekedexingnengyaoqiu
，shepinjichengshifeichangkunnande。

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。