GSM/GPRS手机设计降低成本

出处:百度文库 发布于:2011-07-20 10:16:04

  1 系统概述

  E-GOLDradio将E-GOLDlite手机基频电路和SMARTi-SD2RF收发器电路整合在一个芯片上,这两个元器件已经是相当成熟的产品,并已量产一段时间了。在芯片单一纯CMOS晶粒上放置了所有基频、内部存储器(RAM和ROM)、混合信号和RF所需等功能。借此E-GOLDradio可以非常有效的设计在一个6层印刷电路板上,采用很少的钻孔,因而达到的系统成本。由于其高度整合性和完整的GSM/GPRS系统,使它可以放置在一个9mm×9mmLF2BGA-233的覆晶封装中。它提供的调制解调器功能可让GPRS多重槽(multi-slotclass)达到12等级。

图1 :E-GOLDradio(GSM/GPRS 单芯片解决方案) 系统概况

  2 CMOS单芯片解决方案

  以往在进行“系统单芯片”解决方案的整合时,都是从集成电路的层次开始的,而这里的整合动作主要是从外部的元器件,或从低频混合信号功能和数字电路的整合开始。以前做出的电路区块会采用各种不同技术,例如CMOS和BiCMOS等。而现在以单晶的方式整合在一起,可去除掉许多外部元器件,节省封装的成本,发展出化的整体芯片架构,包括先进的测试方式等,从而能够更进一步降低成本。

  除了CMOS单芯片解决方案之外,还有其它熟知的建构系统在一个封装内SysteminPackage(SiP)的方法,例如多芯片模块(MCM)和堆栈式IC(参看图2)等等。每一种不同的SiP理念,在生产成本、焊接在电路板、测试方式、以及交叉耦合行为上,都有其独特的优缺点。

  除了上述的整合基频和收发器功能的方式之外,另一个延伸出的整合方式是模块设计,这是一种芯片组的整合载体的方式,可将更多的功能放在一起(如前端滤波器、功率放大器等)。

  3 技术参考因素

  为能满足成本、尺寸和电流消耗的主要需求,采用高度整合的系统单芯片(SoC)解决方案是另一个被采用较多的方式。其目的是要尽可能降低外部元器件的成本,例如硅晶个别器件、电阻、电感、电容、外部调校器件等。而为能达到程度的整合,可以考虑采用不同的晶圆工艺技术来制作所需的芯片。当然也可使用BiCMOS、SOI(Silicononinsulator)或SiGe的方式,不过,的方式是标准CMOS工艺技术,也是其它逻辑元件所采用的技术。

  一个典型的0.25μm的CMOS工艺比一个相当的BiCMOS工艺大约要便宜30%~50%,因为它需要的光罩和工艺步骤比较少。SOI和SiGe工艺技术在开始时的材料费均比较贵,也需要比较复杂的工艺,相对来说,CMOS技术就很具成本效益,因为它被广泛使用在大量的数字产品上。惟一能够从SiGe或BiCMOS技术上获得好处的是RF和混合信号区块电路,这和它们的功能效益有关。

图2 :系统封装之方式。上图:多芯片模块,下图:堆栈之晶粒

  如要在单芯片解决方案上选择出的技术,就必需在不同的技术之间考虑做妥协。在做单芯片的整合时,很明显的,RF电路必需和基频部份选择相同的技术。所以在技术速度上,或是更确切地来说,技术上的跃迁频率(ft)就扮演着主要的角色。一般的法则,所采用技术的ft必须是在各不同区块所处理的频率的10倍。近几年来CMOS技术在ft上有了相当大的改善(参阅图3),因此,可以用CMOS单芯片的解决方案来做到无线应用的各种规格标准,其中又以GSM/GPRS单芯片为当中的发展。

图3:以推动无线应用的fmax来看工艺技术的进步图2:系统封装之方式。上图:多芯片模块,下图:堆栈之晶粒

  E-GOLDradioGSM/GPRSQuadband单芯片系统是采用130nm的bulkCMOS技术制造。此工艺可做到6个金属层(copper)和可用于具高效能模拟区块的MIMCAP装置。氧化物的厚度为2.8nm。此外,在使用I/O电压方面,该工艺也提供不错的灵活性:例如可以供应2.5V之I/O电压给特定的模拟和接口电路使用。E-GOLDradio所采用的0.13μm工艺技术还能提供100GHz的ft和大约60GHz的fmax频率,以及在4GHz时大约8的整合式线圈(integratedcoils)的品质因子(qualityfactor)。电阻的制作,则可用扩散或聚合硅晶(polysilicon)的方式。以所有现有的手机标准来看,这些参数可以提供的RF效能,同时,以技术观点而言,也能提供足够安全的余裕,以确保稳定的单晶产品的量产。

  在单晶式整合RF和基频的做法上,必需面对的挑战之一,是如何避免并克服RF和IC中的数字电路间所可能产生的的交叉干扰。在我们所讨论的E-GOLDradio中,是不需要特别的工艺步骤来降低交叉干扰的。相反的,运用精密的系统架构(包括IC、封装、PCB等),加上成熟的设计方法和细心的电路安排,皆是可以减少此类干扰的方式。

  虽然在整个面积当中,RF只占了一小部份,但以此工艺技术来制作整体的芯片,其成本颇为高昂。RF的部份对整体芯片的贡献,依赖单芯片所针对的应用而定,例如,GSM、蓝牙、WLAN、UWB等等。在此处所整合的记忆数量和使用于微控制器,及DSP功能的一些电路,占据了该芯片的其余面积。图4显示一个蓝牙单芯片包含了数字/内存、混合信号和RF的部份。此种区域的分割和此处所讨论的GSM/GPRS单芯片解决方案非常的类似。

图4:一颗晶粒上的蓝牙CMOS单芯片,是GSM/GPRS单芯片解决方案区块分割的典型代表

  4 CMOS方块图和电路设计

  选择适当的技术以及成熟的电路设计,在启动电路区块时可以达到某些参数的高度要求,例如RF的效能、电流消耗等。特别在GSM/GPRS的应用上,这些效能值必须在一个很大的特定温度和电压范围内都能达到,同时还要考虑到CMOS技术的工艺变异。

  在设计模拟电路时,CMOS技术能够提供(有时会被低估)相当的好处,但相较于较高效能的BiCMOS电路,还是需要一些非常仔细的设计做法,以达到GSM/GPRSRF参数上非常严格的系统规格要求。

  能够采用标准的CMOS技术做出RF的区块,代表接下来的步骤是将数字的部份、混合信号的部份以及RF的部份整合在一个晶粒上。如果必须要将数字设计所使用的技术同时用在RF的设计上,就必须考虑到无法以此技术得到的模拟效能,因为在做RF设计时,必需同时考虑到晶体管、电阻、电容和电感的RF和噪声的效能。

  此外,与独立RF电路设计一样,必须特别小心工艺的差异,以及电路的减损和CMOS所额外产生的如1/f噪声对接收器和发射器所造成的影响。

  如果将RF和数字功能整合在同一个晶粒上,就要特别注意交叉耦合的作用。和其它上述比较适合RF的工艺或SOI工艺(silicononinsulator)相比较,在CMOS工艺中比较低电阻值的硅晶基座是造成交叉耦合的原因之一。和CMOS相比较,SOI的接合(junction)电容量比较低,因此交叉耦合作用也较低。保护环(Guard-rings)是另一种改善隔离的方式。深沟槽式(deeptrench)的工艺技术亦可被采用,但其技术复杂度高。此外,可以通过聪明地排列各个不同功能的区块以获得对于关键模块的隔离效果。至于更多的交叉干扰,可能通过在电源供应上造成的耦合、焊线传导所造成的耦合等等形成,这些也可经由接地、增加缓冲和接脚的妥善安排而获得改善。

图5 :GSM/GPRS单芯片系统的RF部份

  系统架构接收器和发射器架构之选择架构的选择目标是确保低成本实现,同时亦能保证有卓越的效能。EGOLDradio的RF部份包含了一个做TX调变(modulation)用的sigma-deltaPLL以及一个RX用的直接转换接收器。选择的整体架构是以SMARTi-SD2为基础,这是一个独立的RF收发器,更是一个成熟的量产设计。直接转换架构所带来的主要好处,是不会在某些频率产生不必要的旁波(sideband)。在发生交叉耦合时,这些不必要的旁波会和其它现有的寄生频率互相混合,因而在整体系统上造成更多的问题。外差式(heterodyne)架构的惟一好处,是会减低AM干扰源的干扰,以及对闪烁噪声(flickernoise)比较不敏感。

  在TX的路径方面,经调制的PLL方式可协助减低系统的复杂度,因为它可以帮助降低从PA至VCO的交叉干扰。因为两者都是在差不太多的相位上运作。在做环路(loop)设计时,必须特别小心,尤其是在400kHzoffset频率时,系统需要非常好的噪声抑制效果(参阅图6)。因此,必须进行一些调整以控制环路转换功能(looptransferfunction)。

图6 :PLL的环路动态所形成的噪声频谱密度(红色:GSM规格,蓝色噪声频谱)

  在GSM系统中必需达成的主要效能参数,是在接收频道对噪声的要求,在低频道频率offset为20MHz的要求是-162dBc/Hz的效能。此外,达到接收器的灵敏度和非线性的要求,也需要非常好的噪声效能。很明显的,这些参数效能的好坏要看所使用的前端滤波器而定。

  在TX架构中所选的方式是SigmaDelta的调变法,在克服典型的CMOS扩散问题上,这是的妥协方式。

  在载波频率指令上也已加上了预先失真的调变。本设计所采用的PLL类型,是需要许多的调整和数字程序,采用CMOS的工艺,可在一个非常小的晶粒上很容易的实现此逻辑程序,图7a)即为PLL之方块架构图。在VCO方面,在高波段上,VCO是在两倍的频率上运作,在低波段上,则在4倍的频率上运作,图7b)即为VCO之电路图。本设计之VCO的增益(gain)是60MHz+/-10%,其频率范围为1300MHz。

图7:(a)PLL 的方块图 (b)VCO 电路

  此PLL的噪声效能在20MHzoffset频率上比-164.5dBc/Hz要来得好,因此,以GSM的规格要求来说,有足够的安全范围。在高波段和低波段的输出功率,都一直高于2dBm(必需考虑电路板的损失),参阅图8。

图8:(a)相位- 噪声 (b)输出功率

  接收器重要的参数是RX解调器(demodulator)之闪烁噪声。闪烁噪声会直接导致整体噪声数据的恶化。因此,必需要有一个设计良好的解调器和完整的LO链,而LO交换(switching)信号的slewrate必需配合整体低功率消耗而达到化的地步。E-GOLDradio在所有的频道中均可达到远超过3dB的噪声水平。在LC的前端装置一个2:1的变压器和balun就可以很容易的达到匹配。本设计所采用的是一个直接转换的接收器,它需要一个非常低频的闪烁噪声转角频率(cornerfrequency),以及一个非常好的IIP2效能,使系统有能力对抗调幅式的干扰源,GSM的规格即有此规范。

  如此的话,整体系统就能够有足够的效能达到系统的规格要求,并能应付生产时所发生的上下偏差。

  5 交叉耦合

  以单芯片系统来说,仅仅注意到各个单独区块电路是不够的。理由相当明显,因为已经有一些采用CMOS方式的解决方案可以证明做出达到GSM标准要求的收发器。主要的挑战,是一方面能建构出完整的系统,另一方面又能考虑到整合之后所产生的种种作用。这种整体的系统方式,必需考虑到所有可能发生交叉耦合的机制,以及其它在整合后的区块电路之间互相产生的影响。同时,也要考虑到IC本身、封装和电路板的设计。

  处理耦合作用的方式之一,是做整体频率的规划。不论是在接收时做下降混合(down-mixing),或在发射时做载波频率的调变,一般来说,可以使用从PLL直接出来的中心频率,或者将PLL输出之频率以一个频率转换器进一步做处理,以乘、除、或混合的方式得到其它的频率。由于实际电路是不完美的,再加上几个交叉耦合的作用,一般都会产生几个更高频的谐波和混合波,而不是只有所需要的单一载波频率。这些额外的频率会出现在输出的频谱上,成为寄生频率。除了在输出频谱上会发现这些寄生频率之外,这些频率还会影响blocking行为。

  要减低这些不需要的频率,可以采用几个措施,例如智能型的频率转换器或特别的设计等。从系统架构的角度来看,小心的做频率规划,也可以减少交叉耦合作用,也就是说,注意高谐波或混合波的频率位置。另外,在模拟和数字信号的处理上,也要做到化的分割。降低模拟式的滤波方式,增加数字的部份,是的技术性尺寸缩小法,因为模拟式需要低电容密度的线性电容器。在RF部份和数字部份采用同样的技术,可运用数字信号的处理法做出比纯模拟法更先进的接收器和发射器架构。

  为能获得RF解耦合至数字部份的做法,本设备采用一个很适当的电源供应概念。此外,封装的排列(BGA封装)对芯片架构也有很大的影响,因此,必须一并考虑IC内部的排列(也就是功能性区块的配置)方法,以获得整体的效能。

  6 GSM/GPRS系统

  E-GOLDradio芯片是将基濒和收发器功能整合在一起的解决方案,它是BP3平台的一部份,该平台的目标是2G行动电话,采用此平台可以设计出整合度的装置,成为市场上完整的系统解决方案。除了GSM/GPRS调制解调器功能(包括整合式的基频和RF收发器、天线开关以及功率放大器),此平台还包括功率管理、内存等等。此BP3平台可让客户在短的时间开发出具吸引力和竞争性的行动电话。另外还具备各种各样的强大功能元件。例如,主要和次要彩色显示器、键盘、照相机,都在硬件参考设计当中,客户能容易的达到特定的市场需求。

图9:在 LF2BGA-233 Flip 芯片封装BGA封装内的E-GOLDradio

图10:E-GOLDradio 可在尺寸的面积中提供完整的调制解调器传输功能

  E-GOLDradio具备高整合度,能够以大小在6cm2的范围内的印刷电路板做到完整调制解调器的功能。外部需使用的元器件大约在70个左右,不需任何特别定制的元器件。因此,提供了一个完善功能组的业界的eBOM。

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