低频和高频RF无线系统的集成差异 - 全文

低频和高频RF无线系统的集成具有很大差异。在高频段，由于CMOS工艺能实现的带宽高于双极工艺，因而是RF电路首选工艺，通常RF-CMOS不会与数字CMOS集成在同一个芯片上。在低频段最重要的系统是蜂窝通信系统，该类系统的RF功能集成的重点在于无源元件的集成。本文介绍了通过多片封装或模块实现无源元件与RF有源元件集成的策略。

信息在通信系统的两点传输过程中，射频功能扮演了重要角色。在这类系统中，RF功能通常与其它功能在物理上分离，RF发射与接收一般是由不同的IC来实现。为减小系统尺寸并降低成本，人们不断探索将RF与系统其它功能集成的方法，其中特别是DSP技术的发展产生了十分重要的影响。除了这种RF与非RF集成的发展趋势外，RF器件本身还有其它集成发展趋势。这些不同的发展趋势是因为不同系统需要不同的技术来实现所需要的RF功能。例如，在将接收信号传递到低噪声放大器(LNA)之前，有些系统要求对信号进行有效滤波，这需要采用陶瓷滤波器或声表面波(SAW)滤波器来对接收信号滤波，但这些滤波器都不能集成到接收器IC中。

低频与高频系统的区别

低频与高频系统之间的一个重要区别是，后者只能在发射器与接收器之间不存在阻挡的情况下才能实现信号传输，而低频系统没有这样的要求，因此能实现更大的覆盖面积。低频和高频之间并没有明显的分界点，其过度频率在2-5GHz之间，并取决于系统特性，例如发射器输出功率和接收器灵敏度。本文以2.4GHz作为高低频率的转换点。高频系统还可以分为长距离系统和短距离系统。长距离系统如雷达、卫星链路、基站链路、固定无线宽带接入(FWBA)等，这些系统要求的发射功率都高于短距离系统，如蓝牙和802.11a/b等。

高频RF集成

短距离无线通信系统的目标市场是消费电子市场，因而要求尺寸小且成本低，并且随着通过数据传输视频流的应用需求增长，数据传输速率将不断增加。这些系统基本上都是便携式电池供电的产品，要求长的待机和通话时间。

由于工作在高频段的发射器较少，因此高频率系统(高于2.4GHz)可以实现高带宽和适中的接收器选择特性。同样，接收器的信噪比(S/N)很高，因而发射器的输出功率可以较低。例如，802.11b在2.4GHz时具有11Mbps的带宽，802.11a在5GHz下可以高达54Mbps。采用更宽的波段或更复杂的调制方法要求更严格的信号线性度，而线性度与发射器紧密相关。

 

图1为CMOS和BiCOS所能实现的工作频率发展比较

系统采用的工艺技术与所能实现的工作频率有关，图1为CMOS和BiCOS所能实现的工作频率发展比较。假设fmax与能得到的工作频率直接相关，很明显CMOS是比较好的选择。此外，CMOS还能满足不严格的选择性、信噪比和输出功率要求，但由于工作电压低而使动态性能降低。然而，由于很多系统工作于开放频段上，这样在发射器和接收器之间将可能有很多发射设备互相干扰，如微波炉干扰蓝牙通讯就是一个典型实例。

尽管CMOS在高频具有这些优势，但BiCMOS技术具有双极技术的RF模型、晶体管参数匹配的优点，而且BiCMOS设计经验更丰富。在工艺选择上尺寸并不是主要考虑因素，因为0.18um CMOS或BiCMOS工艺实现蓝牙收发器功能的芯片尺寸相近。

如果选择CMOS工艺，标准数字CMOS将是发展趋势，由于这些数字CMOS本身已经采用了多层掩模工艺，因此将不会再增加其它选项。数字功能将占据最大的芯片面积，因此主要的成本将产生在这些数字功能部分。

使用主流CMOS工艺将数字电路和RF功能集成在单块芯片上还有意义吗？这个问题需要从两个方面来考虑：从技术角度看，采用为实现RF功能而改进的标准CMOS是可能的，如高阻抗基底减少通过基底的串扰，采用厚介质来实现无源元件的高品质因素等；从集成的角度看，将标准CMOS应用于射频以及在一个芯片上集成数字和RF功能没有太多的好处，因为数字和RF的模型和库有着根本上的不同。数字电路经常用VHDL/Verilog语言设计，CMOS技术的数字库通常在新技术出现之前就已实现，这些数字库一代一代地使用，因此设计工程师可以在下一代工艺发布之前进行数字设计。

对于RF设计而言，只有在工艺出现后才可能有模型和库，因此RF器件具有其独特的特点。由于RF功能一般没有1:1的可再使用模块，因此每个新器件几乎必须从零开始开发。RF库通常落后于数字库1-2年，使用主流CMOS工艺来实现RF功能，意味着在工艺上将落后一代。因此，在一个芯片上集成数字和RF功能意味着将采用上一代CMOS工艺来实现数字功能，而通常实现成本更高。而且，无源元件(电感)和RF/模拟功能并不能真正随着CMOS工艺技术同步发展，因此，RF部分所占面积相对于数字部分将随不同的技术代而增加。

在单芯片上集成数字和RF功能的其它困难还有：
1. 必须控制数字和RF部分之间通过基底产生的串扰；
2. 采用高级CMOS工艺的掩膜成本很高，而将数字和RF集成由于RF设计的原因必然会导致很多次的设计迭代，将导致成本增加；
3. RF IC产量通常由设计所决定，数字IC由参数决定，因而集成数字和RF功能的集成电路的产量将低于数字IC；
4. 数字CMOS封装产生的高引脚电感将降低RF效率。

从技术上讲，短距离高频系统的最佳解决方法是采用多芯片封装和模块，其中数字和RF功能采用独立的IC和BiCMOS工艺来实现。这些方案对于那些既具有设计能力又有生产封装能力的厂商来说是可行的，但是，多芯片封装，尤其是模块对于那些依靠代工厂的无晶圆厂来说并不容易实现。因此，这些公司将可能向在单片上集成数字和RF功能的方向发展。

 

图2  CDMA RF前端功能框图所示

无线系统还需要天线和用于波段选择的切换器件、Tx-Rx切换和天线分集，如图2的CDMA RF前端功能框图所示。为了嵌入这些器件，通常采用多片封装的方式而非模块集成。

低频集成

对于2.4GHz以下的应用，蜂窝系统是最广泛和最重要的应用。蜂窝手机要求成本低和尺寸小，需要更高的集成度。此外，蜂窝系统具有严格的性能和成本等要求，所使用的元器件种类很多。

蜂窝系统的接收器端需要高灵敏度和选择性，一般采用一个接收滤波器，如声表面波(SAW)滤波器来实现；采用低噪声放大器(LNA)来实现大的信噪比，其中的电感器用于发射器以实现噪声和增益匹配之间的最佳平衡，通常将这种LNA功能集成在单芯片收发器IC上；基带功能总是在主流CMOS IC中实现；收发器功能传统上是采用BiCMOS工艺，但是CMOS工艺正引起越来越的关注。同时，多频带/系统集成也在不断发展。

另一个挑战是发送(TX)路径，这些全向非点对点传输系统要求24-33dBm的高输出功率。从易用性、效率和性能上来看，功放(PA)功能选择的技术是硅(Si)双极或GaAs HBT(Si LDMOS)。在最后的放大器级之后，需要一个低损耗输出匹配电路，因为该电路在技术上难以实现集成。该功能经常与分立表面贴装器件一起部分地集成，或通过特殊的低成本无源集成(PI)芯片来实现。

图3

低频集成所使用的技术包括PA用的GaAs HBT，PA驱动器用Si BiCMOS，用于输出匹配的偏置级和功率控制环路的Si PI芯片。现在的手机是多频带和多模式，需要在PA、接收通道和天线之间有大量的切换和滤波功能。开关器件通常是采用GaAs pHEMT或p-i-n二极管以及RF-MEMS来实现。双工滤波器(RX-TX分开)，用于波段选择的同向双工滤波器和谐波滤波器组成天线的无源前端部分。多波段PA模块之后的前端集成TX-FE模块。

在无源前端之后全部是无线模块，该模块加入了收发器功能。把所有这些技术以更高性价比集成到蜂窝系统里极富挑战性。收发器功能(包括LNA)可以采用片上系统实现，但接收滤波器仍需要放在芯片之外，PA和RF前端通常不能放在一个芯片上。一般而言，挑战来自于无源元件和多技术封装，一般选择在LTCC或有机基底上的模块集成。

减少无源元件和推动无源集成的一个关键技术是PASSI技术。采用该技术可以实现145pF/mm2和4%(3σ)的电容器精度，电感的Q因数超过50。该技术还可以作为横向集成p-i-n二极管、高密度电容器和将来的MEMS可变电容器和开关的平台。另一个相关的技术发展是体声波(BAW)技术，该技术能够替代滤波器中的陶瓷和SAW技术。BAW技术可以有几种实现方法，其中一种如图4所示。

图4

采用SAW技术的优势是性能、损耗、热特性、尺寸和成本，特别是在高于1GHz的频率时，SAW技术要求使用亚微米光刻。由于采用亚微米结构，在2GHz以上SAW滤波器的损耗将迅速增加，但BAW技术至少可以在高达10GHz的频率下应用。由于增加了额外的掩模和合格率相关的成本问题，在BiCMOS工艺上采用BAW技术可能并不具有太多的优势。

图5

将RF功能和完整的系统解决方案外包正成为一种新的商业模式，上面谈到的前端集成化趋势将进一步发展，未来将涉及基带和功率控制环路、匹配、RF切换和滤波器等，提供一个完整的RF系统解决方案。当这些功能完全成熟，且OEM厂商接受这种产品后，这种完整系统方案将大量应用。上面所述的前端集成的发展趋势还将延伸到基带和电源管理领域。