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

、liuxianxingwaixinghedijiawei

，erqieyaoyoudadecaisexianshiping
，nengtigongyuchuantongyuyinshoujixiangsidedaijihetonghuashijian。baochixianyoudewaixingchicunhegonghao，queyaoshigongnengchengzhishubeizengchang
，tongshihaiyaoweichizongtixitongchengbenbubian
，zhexiedougeixitongshejirenyuantichuledaliangdenanti。

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gaoRF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、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。
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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，CMOS額e定ding電dian平ping越yue來lai越yue低di，這zhe使shi模mo擬ni設she計ji更geng為wei困kun難nan。在zai開kai發fa新xin工gong藝yi早zao期qi，器qi件jian建jian模mo和he工gong藝yi成cheng熟shu性xing一yi般ban都dou不bu能neng滿man足zu模mo擬ni模mo塊kuai設she計ji所suo需xu的de高gao精jing度du參can數shu建jian模mo要yao求qiu，不bu過guo
，最zui近jin開kai發fa的de數shu字ziCMOS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SoCpinlvdailaiyigezhenzhengdetiaozhan，xiwangnenggoujianqingdaineixinhaochuanshuchanshengdejili，xiangshuzishepinjichengsuobaokuodeneirongyaobijiangduogeshepinyuanjianfangzaiyigexinpianzhongduodeduo，xuyaoyouyigeyingjiangongxiangdexinjiagou。

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。