射頻工藝和手機射頻元件的集成策略

1、    射頻工藝和手機射頻元件的集成策略低頻和高頻RF無線系統(tǒng)的集成具有很大差異。在高頻段，由于CMOS工藝能實現(xiàn)的帶寬高于雙極工藝，因而是RF電路首選工藝，通常RF-CMOS不會與數(shù)字CMOS集成在同一個芯片上。在低頻段最重要的系統(tǒng)是蜂窩通信系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的RF功能集成的重點在于無源元件的集成。本文介紹了通過多片封裝或模塊實現(xiàn)無源元件與RF有源元件集成的策略。信息在通信系統(tǒng)的兩點傳輸過程中，射頻功能扮演了重要角色。在這類系統(tǒng)中，RF功能通常與其它功能在物理上低頻和高頻RF無線系統(tǒng)的集成具有很大差異。在高頻段，由于CMOS工藝能實現(xiàn)的帶寬高于雙極工藝，因

2、而是RF電路首選工藝，通常RF-CMOS不會與數(shù)字CMOS集成在同一個芯片上。在低頻段最重要的系統(tǒng)是蜂窩通信系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的RF功能集成的重點在于無源元件的集成。本文介紹了通過多片封裝或模塊實現(xiàn)無源元件與RF有源元件集成的策略。信息在通信系統(tǒng)的兩點傳輸過程中，射頻功能扮演了重要角色。在這類系統(tǒng)中，RF功能通常與其它功能在物理上分離，RF發(fā)射與接收一般是由不同的IC來實現(xiàn)。為減小系統(tǒng)尺寸并降低成本，人們不斷探索將RF與系統(tǒng)其它功能集成的方法，其中特別是DSP技術的發(fā)展產(chǎn)生了十分重要的影響。除了這種RF與非RF集成的發(fā)展趨勢外，RF器件本身還有其它集成發(fā)展趨勢。這些不同的發(fā)展趨勢是因為不同系統(tǒng)需要

3、不同的技術來實現(xiàn)所需要的RF功能。例如，在將接收信號傳遞到低噪聲放大器(LNA)之前，有些系統(tǒng)要求對信號進行有效濾波，這需要采用陶瓷濾波器或聲表面波(SAW)濾波器來對接收信號濾波，但這些濾波器都不能集成到接收器IC中。低頻與高頻系統(tǒng)的區(qū)別低頻與高頻系統(tǒng)之間的一個重要區(qū)別是，后者只能在發(fā)射器與接收器之間不存在阻擋的情況下才能實現(xiàn)信號傳輸，而低頻系統(tǒng)沒有這樣的要求，因此能實現(xiàn)更大的覆蓋面積。低頻和高頻之間并沒有明顯的分界點，其過度頻率在2-5GHz之間，并取決于系統(tǒng)特性，例如發(fā)射器輸出功率和接收器靈敏度。本文以2.4GHz作為高低頻率的轉(zhuǎn)換點。高頻系統(tǒng)還可以分為長距離系統(tǒng)和短距離系統(tǒng)。長距離系統(tǒng)

4、如雷達、衛(wèi)星鏈路、基站鏈路、固定無線寬帶接入(FWBA)等，這些系統(tǒng)要求的發(fā)射功率都高于短距離系統(tǒng)，如藍牙和802.11a/b等。高頻RF集成短距離無線通信系統(tǒng)的目標市場是消費電子市場，因而要求尺寸小且成本低，并且隨著通過數(shù)據(jù)傳輸視頻流的應用需求增長，數(shù)據(jù)傳輸速率將不斷增加。這些系統(tǒng)基本上都是便攜式電池供電的產(chǎn)品，要求長的待機和通話時間。由于工作在高頻段的發(fā)射器較少，因此高頻率系統(tǒng)(高于2.4GHz)可以實現(xiàn)高帶寬和適中的接收器選擇特性。同樣，接收器的信噪比(S/N)很高，因而發(fā)射器的輸出功率可以較低。例如，802.11b在2.4GHz時具有11Mbps的帶寬，802.11a在5GHz下可以高

5、達54Mbps。采用更寬的波段或更復雜的調(diào)制方法要求更嚴格的信號線性度，而線性度與發(fā)射器緊密相關。圖1為CMOS和BiCOS所能實現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較系統(tǒng)采用的工藝技術與所能實現(xiàn)的工作頻率有關，圖1為CMOS和BiCOS所能實現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較。假設fmax與能得到的工作頻率直接相關，很明顯CMOS是比較好的選擇。此外，CMOS還能滿足不嚴格的選擇性、信噪比和輸出功率要求，但由于工作電壓低而使動態(tài)性能降低。然而，由于很多系統(tǒng)工作于開放頻段上，這樣在發(fā)射器和接收器之間將可能有很多發(fā)射設備互相干擾，如微波爐干擾藍牙通訊就是一個典型實例。盡管CMOS在高頻具有這些優(yōu)勢，但BiCMOS技術具有雙極技

6、術的RF模型、晶體管參數(shù)匹配的優(yōu)點，而且BiCMOS設計經(jīng)驗更豐富。在工藝選擇上尺寸并不是主要考慮因素，因為0.18um CMOS或BiCMOS工藝實現(xiàn)藍牙收發(fā)器功能的芯片尺寸相近。如果選擇CMOS工藝，標準數(shù)字CMOS將是發(fā)展趨勢，由于這些數(shù)字CMOS本身已經(jīng)采用了多層掩模工藝，因此將不會再增加其它選項。數(shù)字功能將占據(jù)最大的芯片面積，因此主要的成本將產(chǎn)生在這些數(shù)字功能部分。使用主流CMOS工藝將數(shù)字電路和RF功能集成在單塊芯片上還有意義嗎？這個問題需要從兩個方面來考慮：從技術角度看，采用為實現(xiàn)RF功能而改進的標準CMOS是可能的，如高阻抗基底減少通過基底的串擾，采用厚介質(zhì)來實現(xiàn)無源元件的高品

7、質(zhì)因素等；從集成的角度看，將標準CMOS應用于射頻以及在一個芯片上集成數(shù)字和RF功能沒有太多的好處，因為數(shù)字和RF的模型和庫有著根本上的不同。數(shù)字電路經(jīng)常用VHDL/Verilog語言設計，CMOS技術的數(shù)字庫通常在新技術出現(xiàn)之前就已實現(xiàn)，這些數(shù)字庫一代一代地使用，因此設計工程師可以在下一代工藝發(fā)布之前進行數(shù)字設計。對于RF設計而言，只有在工藝出現(xiàn)后才可能有模型和庫，因此RF器件具有其獨特的特點。由于RF功能一般沒有1:1的可再使用模塊，因此每個新器件幾乎必須從零開始開發(fā)。RF庫通常落后于數(shù)字庫1-2年，使用主流CMOS工藝來實現(xiàn)RF功能，意味著在工藝上將落后一代。因此，在一個芯片上集成數(shù)字和

8、RF功能意味著將采用上一代CMOS工藝來實現(xiàn)數(shù)字功能，而通常實現(xiàn)成本更高。而且，無源元件(電感)和RF/模擬功能并不能真正隨著CMOS工藝技術同步發(fā)展，因此，RF部分所占面積相對于數(shù)字部分將隨不同的技術代而增加。在單芯片上集成數(shù)字和RF功能的其它困難還有：1. 必須控制數(shù)字和RF部分之間通過基底產(chǎn)生的串擾；2. 采用高級CMOS工藝的掩膜成本很高，而將數(shù)字和RF集成由于RF設計的原因必然會導致很多次的設計迭代，將導致成本增加；3. RF IC產(chǎn)量通常由設計所決定，數(shù)字IC由參數(shù)決定，因而集成數(shù)字和RF功能的集成電路的產(chǎn)量將低于數(shù)字IC；4. 數(shù)字CMOS封裝產(chǎn)生的高引腳電感將降低RF效率。從技

9、術上講，短距離高頻系統(tǒng)的最佳解決方法是采用多芯片封裝和模塊，其中數(shù)字和RF功能采用獨立的IC和BiCMOS工藝來實現(xiàn)。這些方案對于那些既具有設計能力又有生產(chǎn)封裝能力的廠商來說是可行的，但是，多芯片封裝，尤其是模塊對于那些依靠代工廠的無晶圓廠來說并不容易實現(xiàn)。因此，這些公司將可能向在單片上集成數(shù)字和RF功能的方向發(fā)展。圖2 CDMA RF前端功能框圖所示無線系統(tǒng)還需要天線和用于波段選擇的切換器件、Tx-Rx切換和天線分集，如圖2的CDMA RF前端功能框圖所示。為了嵌入這些器件，通常采用多片封裝的方式而非模塊集成。低頻集成對于2.4GHz以下的應用，蜂窩系統(tǒng)是最廣泛和最重要的應用。蜂窩手機要求成

10、本低和尺寸小，需要更高的集成度。此外，蜂窩系統(tǒng)具有嚴格的性能和成本等要求，所使用的元器件種類很多。蜂窩系統(tǒng)的接收器端需要高靈敏度和選擇性，一般采用一個接收濾波器，如聲表面波(SAW)濾波器來實現(xiàn)；采用低噪聲放大器(LNA)來實現(xiàn)大的信噪比，其中的電感器用于發(fā)射器以實現(xiàn)噪聲和增益匹配之間的最佳平衡，通常將這種LNA功能集成在單芯片收發(fā)器IC上；基帶功能總是在主流CMOS IC中實現(xiàn)；收發(fā)器功能傳統(tǒng)上是采用BiCMOS工藝，但是CMOS工藝正引起越來越的關注。同時，多頻帶/系統(tǒng)集成也在不斷發(fā)展。另一個挑戰(zhàn)是發(fā)送(TX)路徑，這些全向非點對點傳輸系統(tǒng)要求24-33dBm的高輸出功率。從易用性、效率和

11、性能上來看，功放(PA)功能選擇的技術是硅(Si)雙極或GaAs HBT(Si LDMOS)。在最后的放大器級之后，需要一個低損耗輸出匹配電路，因為該電路在技術上難以實現(xiàn)集成。該功能經(jīng)常與分立表面貼裝器件一起部分地集成，或通過特殊的低成本無源集成(PI)芯片來實現(xiàn)。低頻集成所使用的技術包括PA用的GaAs HBT，PA驅(qū)動器用Si BiCMOS，用于輸出匹配的偏置級和功率控制環(huán)路的Si PI芯片?，F(xiàn)在的手機是多頻帶和多模式，需要在PA、接收通道和天線之間有大量的切換和濾波功能。開關器件通常是采用GaAs pHEMT或p-i-n二極管以及RF-MEMS來實現(xiàn)。雙工濾波器(RX-TX分開)，用于波

12、段選擇的同向雙工濾波器和諧波濾波器組成天線的無源前端部分。多波段PA模塊之后的前端集成TX-FE模塊。在無源前端之后全部是無線模塊，該模塊加入了收發(fā)器功能。把所有這些技術以更高性價比集成到蜂窩系統(tǒng)里極富挑戰(zhàn)性。收發(fā)器功能(包括LNA)可以采用片上系統(tǒng)實現(xiàn)，但接收濾波器仍需要放在芯片之外，PA和RF前端通常不能放在一個芯片上。一般而言，挑戰(zhàn)來自于無源元件和多技術封裝，一般選擇在LTCC或有機基底上的模塊集成。減少無源元件和推動無源集成的一個關鍵技術是PASSI技術。采用該技術可以實現(xiàn)145pF/mm2和4%(3)的電容器精度，電感的Q因數(shù)超過50。該技術還可以作為橫向集成p-i-n二極管、高密度電容器和將來的MEMS可變電容器和開關的平臺。另一個相關的技術發(fā)展是體聲波(BAW)技術，該技術能夠替代濾波器中的陶瓷和SAW技術。BAW技術可以有幾種實現(xiàn)方法，其中一種如圖4所示。采用SAW技術的優(yōu)勢是性能、損耗、熱特性、尺寸和成本，特別是在高于1GHz的頻率時，SAW技術要求使用亞微米光刻。由于采用亞微米結構，在2GHz以上SAW濾波器的損耗將迅速增加，但BAW技術至少可以在高達10GHz的頻率下應用。由于增加了額外的掩模和合格率相關的成本問題，在BiCMOS工藝上采用BAW技術可能并不具有太多的優(yōu)勢。將RF功能和完整的系統(tǒng)解決方案外包正成為一種新的商業(yè)