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E-GOLDradio CMOS 单芯片解决方案成就低成本 GSM 系统

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作者:英飞凌科技公司 Markus Hammes博士,Andre Hanke 时间:2007-01-26来源:《世界电子元器件》收藏

e-goldradio是英飞凌科技公司在利用标准cmos技术实现数字、混合信号和射频功能的一种gsm单芯片集成方案。e-goldradio 由基带控制功能模块、四频射频收发器和gsm 系统所需的混合信号构件等组成,通过减少电容器和分立式元件等外接组件,将材料成本降低了约30%。该芯片的高集成性和超小尺寸,使翻盖手机或滑盖手机的设计能实现更大的灵活性。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/20735.htm


系统概述

e-goldradio芯片解决方案将e-goldlite手机基带芯片和smarti-sd2射频收发器集成在单个芯片上,这两种部件属于成熟技术,并在早些时候已被投入量产。这种解决方案在单个cmos芯片上包含所有必需的基带功能模块、内存(ram和rom)、混合信号和射频功能模块。由于采用了6层印刷电路板,并使用较少的中间组件,该芯片可以最大限度地降低系统成本。由于高度集成,整个gsm系统可以采用 9mm 9mm的lf2bga-233 倒装芯片封装。这种调制解调器功能模块最多可配置12个端口。e-goldradio单芯片解决方案的系统图如图1所示。

e-goldradio 的主要特性如下:

射频子系统:

能耗更低的四基带直接转换接收器

包括发射器的全数字射频合成器

完全集成的数字控制晶体振荡器

基带子系统:

c166s- c

104mhz teaklite 数字信号处理器核心

灵活的结构,带有多种接口,如键盘、ssc、i2s、i2c、具有irda 的asc 和用于追踪的asc a51/2/3和 gea-1/2/3 密码单元

用于sim-lock的设备id特性丰富的固件掩模,带有mp3 解码器、高保真和弦铃和tty语音编解码器: hr、fr、efr和amrsaic


cmos 单芯片解决方案

在过去,人们为实现“单芯片系统”解决方案在集成方面所作的努力开始于集成电路,这方面的进展主要集中在将外部组件进行集成或将低频混合信号功能模块同数字式电路系统集成起来。而现在,人们将以前利用不同的工艺,如cmos 和 bicmos,所实现的构件集成在单个芯片上,通过省去外接组件、降低封装成本、开发最佳的总体芯片结构、采用先进的测试概念等方法来进一步降低产品成本。

作为cmos 单芯片解决方案的替代方案,这种单芯片解决方案将基带、内存(ram 和rom)、混合信号和射频功能模块集成到一个芯片上, 其他制造系统封装(sip) 的方法,如多芯片模块(mcm)、堆叠式集成电路(见图2)等,都是人们熟知的。每一种系统封装概念在制造成本、安装难度、测试概念(已知良好的晶粒)、交叉耦合表现等方面都有其特定的优缺点。

除了上述可以实现集成式基带和收发器功能的方法外,可以在模块设计中进一步提高集成程度, 将其作为集成载体用于芯片集和更多功能模块(如前端滤波器、功率放大器等)。

技术考虑

为了满足最低成本、最小尺寸和最低的电流消耗,利用高集成度的单芯片解决方案是最佳的方法。这样做的目的是尽可能地降低分立式硅元件、r(电阻)、l(电感)、c(电容)、外接调整元件等外接组件的成本。为了实现最高程度的集成,可以考虑使用不同的晶片工艺。可以使用bicmos、soi(绝缘体上硅)或sige 工艺,然而成本最合算的当属标准 cmos工艺,该工艺已用于其他逻辑元件。 例如,由于需要更少的掩模和工艺步骤,典型的0.25 m cmos工艺的成本大约比同等的bicmos工艺的成本低30%~50%。由于需要大量使用高容量的数字产品,soi 和 sige工艺需要采用较贵的原材料及更高的工艺难度。由于性能要求,只有那些能够从sige 或bicmos 工艺中获益的构件才能成为射频和混合信号构件。

要通过技术选择实现单芯片解决方案,必须考虑到不同技术之间的技术交换。很明显,要实现单芯片集成, rf 组件必须采用和基带部分相同的工艺。因此,理论上的速度,或者更确切地说,该技术的转移频率(ft)在这些考虑中占主要地位。作为一条经验法则,该技术的转移频率必须是在不同构件中处理的最高信号频率的10倍。由于在过去的几年中在cmos转移频率方面所取得的巨大进步(见图3),cmos单芯片解决方案可以成为无线应用标准。与此同时,gsm 单芯片也是英飞凌所取得的最新进展。

e-goldradio gsm四频带单芯片系统使用130nm的bulk cmos工艺制造。这种工艺可以实现高达6 个金属层(铜)的设计,并针对高性能模拟构件提供一个潜在的mimcap设备。其氧化物的厚度仅为2.8nm。此外,这种工艺还可以在提供适用的i/o 电压方面(如用于专门的模拟和接口电路的2.5v i/o电压)有很大的灵活性。e-goldradio芯片所采用的0.13 m工艺可以实现100ghz的转移频率和约 60ghz的最高频率,并在频率为4ghz时,将集成线圈的质量提高约8倍,可以通过扩散或多晶硅方法实现电阻器。从技术角度而言,这些参数为所有现存的手机标准提供了出色的射频性能, 并提供了足够的空间以确保实现单芯片产品的稳定量产。

将射频芯片和基带芯片集成在单个芯片上需要面临的一个主要挑战是:避免和克服该集成电路上射频和数字部分之间可能出现的串扰。尽管需要满足这些要求,但仍然不需要采取特殊的工艺来提高在此所述的e-goldradio的防串扰性能。相反,它是通过复杂的系统结构(包括集成电路、封装、印刷电路板等)、成熟的设计方法和经过认真挑选的线路图来实现的。

因为射频部分在整个芯片上只占很小的面积,利用该工艺制造整个芯片可以极大地降低间接制造成本。射频部分在整个芯片上所占的面积取决于该芯片针对哪种应用,如gsm、蓝牙、wlan、uwb等。被集成的内存数量和用于微控制器和数字信号处理功能而使用的核心占据了芯片的大部分剩余面积。图4显示了蓝牙单芯片分区的一个典型例子,包括数字/内存、混合信号和射频部分,它与gsm单芯片解决方案的分区类似。

cmos 构件和电路设计

合适的技术和成熟的电路设计使一些构件能够满足射频性能、电流消耗等特定参数方面的高要求。尤其是对于gsm应用来说,必须在较大的温度和电压范围内达到这些性能要求,同时,还必须考虑cmos工艺中出现的工艺偏差。

cmos技术可以为模拟电路设计带来许多益处,但与性能高许多的bicmos电路相比,还需要在设计方面采取一些非常细致的措施,以便能够满足gsm射频参数方面非常严格的系统要求。

利用标准cmos工艺实现射频模块的能力,在将数字部分、混合信号和射频部分集成于同一个芯片方面获得巨大进展。如果在射频部分设计中采用了数字部分所采用的相同技术,必须考虑到该技术没有针对模拟性能进行优化。在射频部分设计中还必须考虑晶体管、电阻器、电容器和电感器在射频和噪音方面的性能。此外,同在独立式设计中所做的一样,还需要特别注意工艺方面的偏差,尤其需要注意由于电路损坏和其他cmos缺点(如1/f噪声)对接收器和发射器造成的影响。

如果在同一个芯片上集成射频和数字功能,需要特别注意交叉耦合效果。交叉耦合的来源之一可能是cmos工艺中的低电阻硅衬底。采用防护环是一种可以提高隔离效果的方法。还可以使用深槽,但这会导致技术复杂性的提高。此外,应该通过对不同的功能模块进行合理的放置来实现关键模块之间最大程度的隔离。由于电源的耦合以及接合线感应而导致的耦合等,可能会出现更多的串扰。这些串扰可能会受到接地、缓冲和针脚放置的影响。


接收器和发射器系统结构选择

进行结构选择是为了确保实现低成本应用,同时保证更牢靠、更高的性能。e-goldradio芯片的射频部分(见图5)由用于发射调制的sigma-delta锁相环电路,和一个用于接收的直接转换接收器组成。所选定的整体设计基于smarti-sd2,为一种独立的射频收发器。这种收发器采用成熟的设计,目前已开始量产。直接转换结构的主要好处是在特定频率偏移时不会出现不必要的边带。考虑到交叉耦合,这些不必要的边带可能会同其他存在的杂散混合,并可能会导致这个系统中出现更多的问题。外差结构的唯一好处是可以降低对调幅干扰信号造成的影响,并减少对闪烁噪声的敏感度。

对于发射路径来说,由于可以帮助缓解从pa至vco的关键串扰,经过调制的锁相环电路方法可以帮助降低系统的复杂程度,这是因为两者都在略微不同的相位上运行。必须特别注意环路设计,因为系统要求非常好的噪声抑制(sigma delta 噪声),尤其是在400 khz的偏移频率时(见图6)。因此,必须进行一些调整来控制环路传递函数。

在gsm系统中需要实现的主要性能参数是接收器频带中的噪声要求,在其低频带频率偏移为20mhz 时,需要达到 162dbc/hz。此外,要达到接收器的敏感度和非线性要求,还需要有非常好的噪声性能。很明显,这些参数在很大程度上依赖于所采用的前端滤波器 。

在发射机结构中选用了sigma delta 调制方法,因为它是克服典型的cmos扩频问题的最好方法。在载波频率处理过程中还添加了预失真调制。由于这一种锁相环电路要求大量的调整和数字过程,cmos工艺可以在很小的芯片上采用这种逻辑电路带来很多益处。 ∑- -锁相环电路的结构见图7(a)。vco的运行频率是高频带的两倍,是低频带的4倍。 vco的示意图见图7 (b)。vco 的vco增益为 60 mhz,误差 10%,频率范围为1300mhz。

在频率偏移为20mhz时,锁相环电路的噪声性能要优于 164.5dbc/hz,留下了足够的余量以满足gsm规范。在高频带和低频带时的输出功率总是大于2dbm(必须考虑到电路板损耗),见图8。


接收器的关键参数是接收解调器的闪烁噪声性能。由于闪烁噪声会直接导致整体噪声性能的降低,因此需要有非常好的解调器和完整的lo 链设计。必须实现lo转换信号的最佳转换速度和较低的整体功耗。e-goldradio芯片在所有频带实现了远远超过3 db的噪声性能。借助集成电路前面的2:1变压器和平衡-不平衡变压器可以很容易地进行匹配。对于在这种方法中使用的直接转换接收器来说,要实现能够经受调幅可调的干扰信号的坚固系统,如gsm技术规范中所规定的干扰信号,除了要求闪烁噪声具有非常低的转角频率外,还需要有非常好的输入ip2 性能。在这一点上,整个系统可以表现出足够好的性能以满足系统要求,并足够结实,可以经受实际应用的考验。

交叉耦合

对于单芯片系统方法来说,仅仅关注构件是远远不够的。这一点非常明显,因为已经有了很多解决方案,这些解决方案在使用cmos制造可以完成gsm标准要求的收发器方面表现出了极大的灵活性。主要挑战是构建整个系统,并同时考虑到因为集成而造成的所有影响。这种整体系统方法意味着有必要考虑到所有潜在的交叉耦合机制和被集成的构件之间的其他相互影响。这些影响必须在集成电路、封装和电路板设计中加以考虑。 应付耦合效应的方法之一是进行整体频率规划。一般而言,对于接收过程中的向下混频或发送过程中的频率调幅来说,会使用直接来自锁相环电路的中心频率或利用变频器对锁相环电路的输出频率进行进一步处理,通过频率划分、增大或混合来获得其他频率。通常情况下,由于电路设计中的不足和耦合效应,会出现若干更高的谐波频率和复合失真,来代替唯一被需要的载波频率。这些额外的频率会出现在输出频谱中,作为寄生频率。 除了在其他输出频谱中出现这些寄生频率外,这些频率还会影响构件的性能。有几种措施,如利用巧妙的变频器概念和应用特别的设计,可以被用来减少这些不必要的谱分量。从系统结构的角度而言,可以通过仔细的频率规划,如前文所述的更高的谐波频率布局或复合失真,来减少交叉耦合。此外,还必须选择模拟和数字信号处理模块之间的最佳分区。减少模拟滤波器的数量(这需要有标准低电容强度的线性电容器)和增加数字部分的比重是最大限度挖掘技术潜力的最好方法。通过将数字核心中使用的技术用于射频部分,可以充分利用数字信号处理的力量来实现比完全模拟结构所能实现的更加先进的接收器和发射器结构。


为了在射频部分和数字部分之间实现最佳的去耦作用,一种非常适合的电源概念被引入到设计当中。此外, bga封装(见图9)的设计对芯片性能的影响也很大。因此,需要将这种封装设计同集成电路设计(如各个功能模块的放置)进行综合考虑,来实现最佳的整体性能。


gsm 系统

作为一种集成了基带和收发器功能的芯片,e-goldradio 是ulc平台的一部分,该平台针对2g手机,使用户可以制造集成化程度和综合程度最高的手机设备。除了gsm 调制解调器功能模块(包括集成的基带和射频收发器、天线开关和功率放大器)外,该平台还包括电源管理、内存等部分,使用户能够在最短的时间内开发出极具竞争力的手机。

由于e-goldradio芯片实现了高度集成,可以在最小的印刷电路板(不超过6 cm2,见图10)上组装所有的调制解调器功能。外接元件的数量在70个以内,而无需增加任何针对客户的元件。可以利用全面的功能集为这种完整的调制解调器功能设计出先进的ebom 。



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