可实现超低成本移动电话的CMOS单芯片解决方案
2010-12-20 15:45:48
来源：半导体器件应用网
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今天大约三十五亿人生活在移动电话网络覆盖的地区，但是其中绝大部分人没有能力购买移动电话。降低成本是使这些未使用手机的人用上手机的驱动力，手机必须以极具吸引力的低廉价格才能让手机制造商和运营商进一步扩展他们的业务和用户群。
在这种背景下，英飞凌公司推出了GSM/GPRS单芯片解决方案E-GOLDradio。该方案采用高性价比的最新CMOS工艺，在纯单片CMOS裸片上以9x9mm2的LF2BGA-233倒装封装内置了所有用于移动电话应用的构建模块，例如基带功能、内部存储器(RAM以及ROM)、混合信号和RF功能。调制解调器功能允许GPRS multi-slot class多达12。E-GOLDradio是英飞凌公司的BP30(基本型电话)和ULC(超低成本)两个平台方案的核心器件。
1 E-GOLDradio简介
E-GOLDradio以单片的形式集成了英飞凌公司的E-GOLDlite蜂窝基带芯片和SMARTi-SD2 RF收发器，而这两个单独器件都已经实现了一段时间的大批量生产，因此具有很高的成熟度。表1概括介绍了E-GOLDradio芯片的功能。
除了这些基本功能外，功能的可扩展性是该芯片的一个主要的优势。E-GOLDradio可以实现从超低成本手机到中等距离对讲等各种手机，支持翻盖手机的双显示屏、数码相机、MP3播放等功能。图1所示是E-GOLDradio芯片的系统架构。
2 单芯片集成的挑战
为了满足最低成本、最小尺寸以及最小耗电能等基本要求，优先选用了高集成度的系统级解决方案。同时必须从成本最优的角度仔细地分析和权衡不同晶圆技术(例如CMOS和BiCMOS)在技术和商业上的优势。例如，0.25um的CMOS工艺就比同等级的BiCMOS工艺便宜近30%~50%，因为它需要的掩模和工艺步骤更少。
然而，选择最合适的技术在很大程度上取决于芯片架构和芯片的分割。很明显，对于单片集成来说，RF宏必须用与基带部分相同的技术实现。因此，与技术相关的工艺参数必须同时满足这两种要求。例如技术的截止频率(fT)。从经验上来说，某种技术的fT必须是不同构建模块需要处理的最高信号频率的十倍。过去几年中，CMOS技术的fT参数有了很大的改善，目前已经可以用CMOS单芯片解决方案实现无线应用标准，GSM/GPRS单芯片是最新成果。
E-GOLDradio采用130nm的bulk CMOS技术制造，可提供100GHz的特征频率以及近60GHz的最高工作频率，4GHz频率下集成线圈的品质因素接近8。同时通过最多6层金属层(铜)以及一个潜在的MIMCAP器件可以实现高性能模拟构建模块。氧化物的厚度为2.8nm。这种工艺在I/O电压适用性等方面有很大的灵活性，例如针对特殊的模拟和接口电路提供2.5V I/O域。还利用扩散或多晶硅的方法实现电阻。从技术的角度来看，这些参数能针对所有现有蜂窝标准提供卓越的RF性能，并具有足够的余量确保获得单芯片产品批量生产的稳定性。
避免和克服IC上的射频与数字部分的潜在串扰是单片RF与基带集成芯片面临的主要挑战。E-GOLDradio并没有利用特殊的技术工艺来改善串扰性能，而是通过成熟的系统架构(包括IC、封装、PCB等)、成熟的设计方法以及慎重选择的版图之间的最优组合来实现性能改善。
3 CMOS构建模块与电路设计
在使用与数字设计相同的技术进行RF设计时，必须考虑到这种技术并没有针对“模拟”要求进行优化。用于RF设计的典型构建模块，例如晶体管、电阻、电容和电感的射频和噪声性能对整个系统的行为和性能有很大的影响。一般来说需要特别注意CMOS制造工艺的变化，特别是由于电路损伤和CMOS缺陷(如1/f噪声)对接收器和发射器行为造成的影响。因此必须采用专门的设计措施来满足规范对GSM/GPRS RF参数的严格要求。不仅要在很宽的规定温度范围以及电压范围内、而且要在各种CMOS制造工艺变化条件下达到并确保这些性能值。
E-GOLDradio收发器部分基本上是由一个用于Tx调制的∑-△ PLL和一个用于Rx的直接变频收发器组成。SMARTi-SD2是所选择的整体架构的基础，它是一种独立的射频收发器，经过批量生产已经相当成熟。
选用的直接变频架构的主要优势之一是在某种频率偏移下不存在无用边带。考虑到交叉耦合效应，这些无用边带可能与已有的其他伪信号混合，从而最终导致整个系统性能的降低。
为了减轻从PA到VCO的主要串扰，同时降低系统的复杂度，Tx路径采用了调制过的PLL(在图2a中显示了PLL)。Tx架构选择了∑-△调制方法，它是解决典型的CMOS扩散问题的最佳折衷方案。在载频字上增加了预失真调制。由于这种PLL需要大量的校准和数字步骤，因此CMOS工艺对于在一个很小裸片尺寸上实现这种逻辑具有很大的优势。
对高频带来说，VCO(图2b)以两倍的频率运行；对低频带来说，VCO以四倍的频率运行。VCO具有60MHz±10%的增益、1，300MHz的频率范围。在环路设计上需要特别小心，因为系统要求非常好的噪声抑制(∑-△噪声)，特别是在400kHz偏移频率点(见图3)。因此为了控制环路的传输函数必须进行某些校准。
在GSM系统中需要实现的一个主要性能参数是在接收器频带中的噪声要求，在低频带的20MHz频偏移点需要达到-162dBc/Hz的性能。此外需要非常好的噪声性能来实现接收器的灵敏度和非线性要求。很明显，这些参数很大程度上取决于前端滤波器。20MHz频偏处的PLL噪声好于-164.5dBc/Hz，这给GSM规范留有了足够的余量。
在接收器链路上，闪变噪声性能是非常关键的参数，因为这种噪声会导致整个噪声性能的降低。因此，解调器以及整个LO链路的成熟设计对于实现优越的系统性能来说是非常必要的。必须获得LO开关信号的最佳摆率以及整体的低功耗性能。E-GOLDradio在整个频段上可以获得好于3dB的噪声电平。在RF引脚上采用2:1的变压器以及平衡不平衡转换器可以轻易地获取匹配。对于采用的直接变频接收器来说，除了非常低的闪变噪声角频率外，还需要非常好的IIP2性能，以使系统对于幅度调制干扰具有很强的耐受性，从而满足GSM规范要求。所有情况下在高频段和低频段的输出功率都超过了+2dB(不包括PCB损耗，见图4b)。
4 单芯片集成的主要挑战：交叉耦合
为了获得像E-GOLDradio那样非常好的性能，必须采用一种总体系统方法。这意味着需要考虑不同构建模块之间所有可能的交叉耦合机制以及其他相互影响。必须选择经详细设计过的电源概念，以获得RF模块与数字部分之间的最佳去耦效果。而且封装以及布局对于芯片性能具有非常大的影响，因此必须认真考虑IC版图(即功能模块的布局)才能获得最佳的整体性能。此外，PCB设计也必须考虑这些因素。
在芯片级，必须十分注意集成在同一块裸片上的射频和数字功能之间的交叉耦合效应。交叉耦合的一个来源可能位于CMOS工艺本身的低阻值硅衬底下，例如绝缘体硅(SOI)等其它工艺在交叉耦合效应的敏感性方面要比CMOS低，但是成本高得多。所谓的保护环是提高隔离度的另外一个选择。更进一步的概念是深沟道，虽然可以使用，但必须为其技术复杂度的提高买单。
串扰的其它来源可能是来自电源的耦合、绑定线的感应耦合等。降低耦合的对策可以是接地、缓冲、引脚布局等。解决耦合效应的另外一种方法是对全局频率的谨慎规划。由于电路实现的非理想性以及交叉耦合效应，在理想的单频载波分量旁会存在若干更高频率的谐波频率分量。像智能频率转换器概念以及特殊设计实现等几种措施可以用来减少这种有害的频谱分量。
基于E-GOLDradio平台的手机只需要少量的外部器件就能构建完整的移动电话。图5显示了所需要的主要外部器件(除电源和外部存储器外)，显示屏、键盘、SIM卡、晶振、扬声器、麦克风以及RF前端等外部器件不需要额外的“胶合逻辑”器件就可以直接连接到E-GOLDradio。
E-GOLDradio还具有非常高的可扩展性，这对于满足细分市场或者电话种类(比如具有MP3播放功能的双显视屏翻盖手机与仅仅具有语音通信功能的条状电话)要求来说非常重要。
如图6所示的PCB比较结果表明，由标准AA电池供电、仅支持通话的双频段GSM电话具有巨大的优化潜力。并且明显可以看出，器件总数可以减少一半，电路板面积可以降低到25%。
在这种背景下，英飞凌公司推出了GSM/GPRS单芯片解决方案E-GOLDradio。该方案采用高性价比的最新CMOS工艺，在纯单片CMOS裸片上以9x9mm2的LF2BGA-233倒装封装内置了所有用于移动电话应用的构建模块，例如基带功能、内部存储器(RAM以及ROM)、混合信号和RF功能。调制解调器功能允许GPRS multi-slot class多达12。E-GOLDradio是英飞凌公司的BP30(基本型电话)和ULC(超低成本)两个平台方案的核心器件。
1 E-GOLDradio简介
E-GOLDradio以单片的形式集成了英飞凌公司的E-GOLDlite蜂窝基带芯片和SMARTi-SD2 RF收发器，而这两个单独器件都已经实现了一段时间的大批量生产，因此具有很高的成熟度。表1概括介绍了E-GOLDradio芯片的功能。
除了这些基本功能外，功能的可扩展性是该芯片的一个主要的优势。E-GOLDradio可以实现从超低成本手机到中等距离对讲等各种手机，支持翻盖手机的双显示屏、数码相机、MP3播放等功能。图1所示是E-GOLDradio芯片的系统架构。
2 单芯片集成的挑战
为了满足最低成本、最小尺寸以及最小耗电能等基本要求，优先选用了高集成度的系统级解决方案。同时必须从成本最优的角度仔细地分析和权衡不同晶圆技术(例如CMOS和BiCMOS)在技术和商业上的优势。例如，0.25um的CMOS工艺就比同等级的BiCMOS工艺便宜近30%~50%，因为它需要的掩模和工艺步骤更少。
然而，选择最合适的技术在很大程度上取决于芯片架构和芯片的分割。很明显，对于单片集成来说，RF宏必须用与基带部分相同的技术实现。因此，与技术相关的工艺参数必须同时满足这两种要求。例如技术的截止频率(fT)。从经验上来说，某种技术的fT必须是不同构建模块需要处理的最高信号频率的十倍。过去几年中，CMOS技术的fT参数有了很大的改善，目前已经可以用CMOS单芯片解决方案实现无线应用标准，GSM/GPRS单芯片是最新成果。
E-GOLDradio采用130nm的bulk CMOS技术制造，可提供100GHz的特征频率以及近60GHz的最高工作频率，4GHz频率下集成线圈的品质因素接近8。同时通过最多6层金属层(铜)以及一个潜在的MIMCAP器件可以实现高性能模拟构建模块。氧化物的厚度为2.8nm。这种工艺在I/O电压适用性等方面有很大的灵活性，例如针对特殊的模拟和接口电路提供2.5V I/O域。还利用扩散或多晶硅的方法实现电阻。从技术的角度来看，这些参数能针对所有现有蜂窝标准提供卓越的RF性能，并具有足够的余量确保获得单芯片产品批量生产的稳定性。
避免和克服IC上的射频与数字部分的潜在串扰是单片RF与基带集成芯片面临的主要挑战。E-GOLDradio并没有利用特殊的技术工艺来改善串扰性能，而是通过成熟的系统架构(包括IC、封装、PCB等)、成熟的设计方法以及慎重选择的版图之间的最优组合来实现性能改善。
3 CMOS构建模块与电路设计
在使用与数字设计相同的技术进行RF设计时，必须考虑到这种技术并没有针对“模拟”要求进行优化。用于RF设计的典型构建模块，例如晶体管、电阻、电容和电感的射频和噪声性能对整个系统的行为和性能有很大的影响。一般来说需要特别注意CMOS制造工艺的变化，特别是由于电路损伤和CMOS缺陷(如1/f噪声)对接收器和发射器行为造成的影响。因此必须采用专门的设计措施来满足规范对GSM/GPRS RF参数的严格要求。不仅要在很宽的规定温度范围以及电压范围内、而且要在各种CMOS制造工艺变化条件下达到并确保这些性能值。
E-GOLDradio收发器部分基本上是由一个用于Tx调制的∑-△ PLL和一个用于Rx的直接变频收发器组成。SMARTi-SD2是所选择的整体架构的基础，它是一种独立的射频收发器，经过批量生产已经相当成熟。
选用的直接变频架构的主要优势之一是在某种频率偏移下不存在无用边带。考虑到交叉耦合效应，这些无用边带可能与已有的其他伪信号混合，从而最终导致整个系统性能的降低。
为了减轻从PA到VCO的主要串扰，同时降低系统的复杂度，Tx路径采用了调制过的PLL(在图2a中显示了PLL)。Tx架构选择了∑-△调制方法，它是解决典型的CMOS扩散问题的最佳折衷方案。在载频字上增加了预失真调制。由于这种PLL需要大量的校准和数字步骤，因此CMOS工艺对于在一个很小裸片尺寸上实现这种逻辑具有很大的优势。
对高频带来说，VCO(图2b)以两倍的频率运行；对低频带来说，VCO以四倍的频率运行。VCO具有60MHz±10%的增益、1，300MHz的频率范围。在环路设计上需要特别小心，因为系统要求非常好的噪声抑制(∑-△噪声)，特别是在400kHz偏移频率点(见图3)。因此为了控制环路的传输函数必须进行某些校准。
在GSM系统中需要实现的一个主要性能参数是在接收器频带中的噪声要求，在低频带的20MHz频偏移点需要达到-162dBc/Hz的性能。此外需要非常好的噪声性能来实现接收器的灵敏度和非线性要求。很明显，这些参数很大程度上取决于前端滤波器。20MHz频偏处的PLL噪声好于-164.5dBc/Hz，这给GSM规范留有了足够的余量。
在接收器链路上，闪变噪声性能是非常关键的参数，因为这种噪声会导致整个噪声性能的降低。因此，解调器以及整个LO链路的成熟设计对于实现优越的系统性能来说是非常必要的。必须获得LO开关信号的最佳摆率以及整体的低功耗性能。E-GOLDradio在整个频段上可以获得好于3dB的噪声电平。在RF引脚上采用2:1的变压器以及平衡不平衡转换器可以轻易地获取匹配。对于采用的直接变频接收器来说，除了非常低的闪变噪声角频率外，还需要非常好的IIP2性能，以使系统对于幅度调制干扰具有很强的耐受性，从而满足GSM规范要求。所有情况下在高频段和低频段的输出功率都超过了+2dB(不包括PCB损耗，见图4b)。
4 单芯片集成的主要挑战：交叉耦合
为了获得像E-GOLDradio那样非常好的性能，必须采用一种总体系统方法。这意味着需要考虑不同构建模块之间所有可能的交叉耦合机制以及其他相互影响。必须选择经详细设计过的电源概念，以获得RF模块与数字部分之间的最佳去耦效果。而且封装以及布局对于芯片性能具有非常大的影响，因此必须认真考虑IC版图(即功能模块的布局)才能获得最佳的整体性能。此外，PCB设计也必须考虑这些因素。
在芯片级，必须十分注意集成在同一块裸片上的射频和数字功能之间的交叉耦合效应。交叉耦合的一个来源可能位于CMOS工艺本身的低阻值硅衬底下，例如绝缘体硅(SOI)等其它工艺在交叉耦合效应的敏感性方面要比CMOS低，但是成本高得多。所谓的保护环是提高隔离度的另外一个选择。更进一步的概念是深沟道，虽然可以使用，但必须为其技术复杂度的提高买单。
串扰的其它来源可能是来自电源的耦合、绑定线的感应耦合等。降低耦合的对策可以是接地、缓冲、引脚布局等。解决耦合效应的另外一种方法是对全局频率的谨慎规划。由于电路实现的非理想性以及交叉耦合效应，在理想的单频载波分量旁会存在若干更高频率的谐波频率分量。像智能频率转换器概念以及特殊设计实现等几种措施可以用来减少这种有害的频谱分量。
基于E-GOLDradio平台的手机只需要少量的外部器件就能构建完整的移动电话。图5显示了所需要的主要外部器件(除电源和外部存储器外)，显示屏、键盘、SIM卡、晶振、扬声器、麦克风以及RF前端等外部器件不需要额外的“胶合逻辑”器件就可以直接连接到E-GOLDradio。
E-GOLDradio还具有非常高的可扩展性，这对于满足细分市场或者电话种类(比如具有MP3播放功能的双显视屏翻盖手机与仅仅具有语音通信功能的条状电话)要求来说非常重要。
如图6所示的PCB比较结果表明，由标准AA电池供电、仅支持通话的双频段GSM电话具有巨大的优化潜力。并且明显可以看出，器件总数可以减少一半，电路板面积可以降低到25%。
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