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无线技术
用蓝宝石CMOS射频开关扩展手机的工作范围
录入时间:2011-3-4 16:20:41

移动手持设备需要用到多个高选择性的过滤器,才能适应不断增长的频率波段,今天的便携式多媒体设备必须处理好这个问题。每一代手机都会支持更多的频率,因此过滤器的数量总是在增长,这就强迫设计者增加开关元件来优化整个链路的预算。

和移动手持设备中的其他元件一样,这些开关的成本、性能和大小都必须进行严格审查,因为它们面对的是全球最大发货量的消费电子市场。另外,开关生产商也必须有自己的技术发展路线,以便能跟上下一代或更远的手机对新波段及功能的要求。应对这种挑战,蓝宝石CMOS射频开关已经推出了单刀9掷(SP9T)的配置,它可以提供更高的线性度,同时在尺寸缩小的同时仍然很容易进行设计。

 增加带宽,改变需求

出于管制、政治以及技术方面的多种原因,美洲、欧洲和亚洲用于手机通讯的频率波段多有不同。结果就是,为手机设计的产品必须有支持多波段的能力。比如,对GSM手机来说,支持四频(850/900/1800/1900MHz)也不是很奇怪。UMTS,一般认为的GSM的接任者,也必须能支持多波段以便可以全球漫游和进行数据传输。如果这种要求再加上对高集成度、低能耗、小尺寸以及链路预算最大化(高线性度)等的要求,系统设计师所面临的挑战就更加让人头疼了。

随着手机服务在全世界的繁荣发展(目前全球有30亿手机用户,服务覆盖80%的世界人口),频率波段只会持续增加。而为了保证网络有效运作所需的工作范围,对性能的要求也非常严格,所以在手机前端中使用高选择性过滤器也很常见。这里是这样工作的:随着频率波段数增加,手机设计师就求助于开关元件来优化链路预算。

回到手机还是单波段的时代,设计师们使用PIN二极管当作开关,它们性能高并且成本也低。但是,一旦手机上有了GSM/EDGE,甚至还有WCDMA,PIN二极管就再也满足不了性能和尺寸要求了。由于需要1/4波传输线和更大的前向偏置电流来工作,PIN二极管就因为四波段GSM的引入而失宠了。

 发展中的性能挑战

为了弥补四波段需求带来的技术鸿沟,手机设计师们已经开始采用基于UltraCMOS和砷化镓(GaAs)技术的集成电路解决方案。这些技术已经解决了PIN二极管在多波段工作方面的诸多问题,同时也基本把PIN二极管赶出了开关领域。

在推出3G无线的早期,设计师们在GSM/EDGE手机上增加了WCDMA。这就给前端带来了新的挑战,要求它具有+68dBm的三阶交调截取点(third-order intercept,IP3),这样才能保证网络的健壮性。这就意味着开关所产生的扭曲信号不能大于WCDMA传输信号的万亿分之三,或者说等价于一个硅原子同半英里长的原子链的比例。UltraCMOS技术可以满足这种相当困难的线性化要求,并且它早已作为领先的射频前端开关技术出现了,它的好处包括低损耗、低电容蓝宝石基底层以及它作为本征MOS器件所具有的特别出色的线性度。

近来,对更多开关的需求以极快的速度增长。比如,在2007年,3G手机中的大多数带有4波段GSM/EDGE和单频段的WCDMA,这需要使用一个SP7T开关。到2008年就需要加入对3个WCDMA频段的支持,这就要将开关的复杂度增加到SP9T(见图1)。据信这种增加开关复杂度的趋势还将继续。举个例子来说,在写作本文的时候,全世界范围内已经定义了多达9种WCDMA频段,而这个数字仍然在增长。

采用UltraCMOS制作的SP9T开关,设计师就可以达到性能上的要求,而这个要求通常都超出了基于砷化镓技术的SP9T开关,同时还能满足对于更小尺寸的要求。与砷化镓开关不同,UltraCMOS器件不需要外部的旁路或过滤器件,同时又能采用倒装片封装(Flip chip)的集成电路,这种方式不需要过多注意走线控制并且能简化印刷线路板(PCB)的布局。

 选择系统设计

射频前端开关必须同时支持WCDMA和GSM/EDGE信号,所以它必须是手机中线性度最高的元件,这样才能保证所需的工作范围。实际上,在全球任何大批量的产品中,它都必须是具有最高线性开放式的固态器件。手机系统设计师在开关方面也就面临着两种选择:UltraCMOS和砷化镓(GaAs)。除去要考虑射频性能,以便能扩大工作范围并对链路预算进行优化,还需要考虑额外的一些性能:电压处理、晶片尺寸、系统尺寸、设计难易度以及ESD耐受度。

电压处理

UltraCMOS器件中,蓝宝石上的晶体管互相之间是介电隔离的,所以可以把它们放成一串(或堆叠)来使用非常高的电压,这一招可以用在天线开关中。尽管CMOS是一种低压器件,但50V的峰-峰电压还是可以接受的。另外,芯片上偏置生成可以对性能进行优化,并且也消除了对外部直流屏蔽电容的需求。

晶片尺寸

2中是一个WEDGE SP9T开关分别采用UltraCMOS技术和GaAs技术的对比。注意它们在晶片尺寸上的重大差异:UltraCMOS晶片只有1.43 mm2,差不多是GaAs SP9T晶片尺寸面积2.85mm2的一半。由于使用了更好的铝金属化的设计规则,以及具有可以把FET摆放到任何方向的灵活性,UltraCMOS就可以把射频开关做得比GaAs技术更小巧。补充器件、模拟控制能力以及MOS电容允许对两个系列进行控制,并且用一个简单的四线接口就能避开射频FET,同时保证泄露电流极低。图2还显示了采用两种技术的解码器的面积比例是4:16。

系统尺寸

采用标准倒装片芯片级封装技术的开关可以显著减少手机前端模块(FEM)的尺寸。这些FEM通常都使用费钱的低温共烧陶瓷(LTCC)制作,因此减少模块面积可以直接影响到整体解决方案的成本。图3显示了从引线键合(Wire bonding)封装转向倒装片可以消减LTCC基底面积大约43%,同时又能把支持的频段数量从5提高到7。

易于设计

有了倒装片技术,开关就可以作为表面安装器件(SMD)来使用。由于FEM里的其他器件通常也都是SMD类型的,所以就不再需要任何引线键合的设备。如果采用卷带式供货,这些倒装片开关就可以采用标准插装机器进行安装,这样就能使生产费用降至最低。另外,由于倒装片的安装高度低于250μm,因此也就降低了整体模块厚度,这对于要求手机更薄的设计来说就可以满足严格的高度要求。

UltraCMOS晶片还允许在所有端口上都不必使用FET,这同样对模块设计简易性以及性能有极大影响。由于不用FET,所以所有的信号通道都不必接地,从而系统其他部分产生的噪音对这些活动通路就完全没有影响。通过对开关端口平面上的隔离端口阻抗进行控制,模块设计师就不需要同时对整个信号链进行优化,而只需要关注活动通路。不用FET同时也可以带来极高的隔离性能,这样就能降低收发器的寄生要求,同时可以保证对接收SAW过滤提供高射频电压和ESD保护。

ESD保护

因为UltraCMOS也是CMOS技术,它就拥有集成ESD保护的器件的优势。因此,用这种工艺生产的器件都具有控制针脚上2级(2000V)HBM和射频针脚上1500V HBM的性能,因此UltraCMOS开关在ESD破坏方面具有极高的强壮性。这可以降低生产过程中的模块散落率,同时也消减了天线部分为了满足严格的IEC61000-4-2规范而对ESD电路的需求,另外还能减少电路板面积并减少一些插入损耗。

 射频性能

1总结了两种技术的SP9T性能。插入损耗性能上两者大致相同,但UltraCMOS的线性度超过了GaAs。UltraCMOS的宽广VDD范围同现有手机的供电电压相匹配,但用于直接使用电池电压或1.8V供电电压工作的偏置发生器还在开发中。

UltraCMOS射频开关对手机前端极具价值,特别是在要求极高IP3的多波段产品中。由于3G手机的复杂度不断提高,开关也就同时需要不断提高它的掷数。我们还乐于见到在一块晶片中集成多个开关。这些发展将更多地利用UltraCMOS的优势,同时GaAs开关则越来越难以达到。在市场上,对一个技术的成功来说,一个可实现的长期的改进路线图将被证明是一个关键因素。好消息是UltraCMOS已经被用来解决手机设计师的未来需求了。


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