集成式RF功放与滤波器前端设计

CMOS设计人员多年来一直把各种功能集成到大型集成电路中。在通信终端中，到目前一直有两个RF元器件没有集成，即滤波器和RF功放器，这两种器件采用的构建技术都不兼容芯片上CMOS集成。
在传统上，滤波器一直采用陶瓷或表面声波(SAW)技术构建，而RF功放器则一直使用GaAs异质结双极晶体管(HBT)或FET器件构建。由于这些技术与RFIC使用的硅或SiGe工艺有着很大区别，因此功放器和滤波器一直作为分散器件，与现在执行手机大部分RF功能的大规模集成芯片组分开。声音谐振器技术和先进的低噪声高线性度晶体管技术已经明显缩小了每种分散功能的体积。

刘琪琛

2019-6-26 16:48:27

当前的单片电路滤波器和放大器技术允许设计人员突破RF集成障碍，重要的技术进步包括：
● 表面声波(SAW)滤波器
● FBAR滤波器
● 异质结双极晶体管(HBT)
● E-pHEMT
由于每种技术都把某种RF功能精简到单片电路设备上，因此可能需要重要举措来提高集成度。以前的技术如陶瓷滤波器需要采用非单片电路结构，单片电路放大器集成起来很不方便。
最近，多家公司已经开始采用多种芯片技术和多板上多芯片(MCOB)封装开发RF模块。这种方法通过采用优化的半导体工艺，可以实现最佳的滤波器和功放器性能。GaAs HBT或E-pHEMT放大器可以与基于硅的FBAR滤波器集成在一个价格低廉的封装中。同时，MCOB模块可以大大降低体积，改善RF前端的性能。

石俊梅

2019-6-26 16:48:39

集成式RF前端模块(FEM)的第一个、也是最明显的优势是可以进一步缩小体积。图1是双频CDMA手机的典型布局。黄色轮廓指明了容纳800MHz和1900 MHz频段的双工器、滤波器和放大器所需的空间。蓝色轮廓同比例显示了实现两个集成了双工器/放大器的FEM所需的电路板空间。尺寸大大降低主要归功于消除若干个元器件使用的多个输入/输出接口。

图1 典型的双频CDMA手机及通过RF集成可能节约的体积示意图。
RF FEM的第二个明显优势在于可以实现的效率改善。通过优化用于输出上功放器和滤波器/双工器之间的接口，设计人员可以把典型手机的通话时间延长半小时以上。
能够把功放器和滤波器与实现最优效率或线性度性能的阻抗自由匹配起来，可以产生明显的好处。图2中比较了放大器和双工器组合，其中使用同一放大器，但集成程度不同。在全部的三项测试中，双工器的输出功率都设为+24.5dBm。改进的匹配程度及降低集成式前端模块中发射链的插入损耗，可以大大改进效率。在CDMA手机中，改进的效率可以把通话时间延长35-45分钟。

图2 PCS CDMA手机设计效率比较。
第三个优点：由于RF元器件之间的线路长度可能非常短，因此集成式FEM更不容易受到RF干扰。通过把多种功能集成到一个微型MCOB器件中，RFIC的发射机输出与天线之间的整体电长度会变得非常短，因此，PCB的RF端收到的干扰和发射的干扰都会比较少，从而降低对其它元器件的潜在影响。
这一性能改善将把我们带到哪里？通过采用零IF结构及数字应用技术，似乎可以明确一点，进一步集成对RF元器件不可避免。然而问题仍然在于：进一步集成RF放大器和滤波器会发生在RFIC和/或基带芯片组中，还是有单独的RF集成道路？
多种市场发展态势表明，这种集成可能是分开的，也就是说，将在单独的元件中进行RF集成。例如，在GSM和W-CDMA市场中，RFIC通常由基带芯片之外的不同厂商提供。由于CMOS技术正在不断改进速度和性能，大多数专家同意，基带/RFIC芯片组在未来几年内将变得可行。CMOS技术的低成本使经济推动因素相当显著：一旦CMOS能够支持RFIC的功能，我们可以预计市场将需要可能实现的较低价位。

集成式RF前端模块(FEM)的第一个、也是最明显的优势是可以进一步缩小体积。图1是双频CDMA手机的典型布局。黄色轮廓指明了容纳800MHz和1900 MHz频段的双工器、滤波器和放大器所需的空间。蓝色轮廓同比例显示了实现两个集成了双工器/放大器的FEM所需的电路板空间。尺寸大大降低主要归功于消除若干个元器件使用的多个输入/输出接口。

图1 典型的双频CDMA手机及通过RF集成可能节约的体积示意图。
RF FEM的第二个明显优势在于可以实现的效率改善。通过优化用于输出上功放器和滤波器/双工器之间的接口，设计人员可以把典型手机的通话时间延长半小时以上。
能够把功放器和滤波器与实现最优效率或线性度性能的阻抗自由匹配起来，可以产生明显的好处。图2中比较了放大器和双工器组合，其中使用同一放大器，但集成程度不同。在全部的三项测试中，双工器的输出功率都设为+24.5dBm。改进的匹配程度及降低集成式前端模块中发射链的插入损耗，可以大大改进效率。在CDMA手机中，改进的效率可以把通话时间延长35-45分钟。

图2 PCS CDMA手机设计效率比较。
第三个优点：由于RF元器件之间的线路长度可能非常短，因此集成式FEM更不容易受到RF干扰。通过把多种功能集成到一个微型MCOB器件中，RFIC的发射机输出与天线之间的整体电长度会变得非常短，因此，PCB的RF端收到的干扰和发射的干扰都会比较少，从而降低对其它元器件的潜在影响。
这一性能改善将把我们带到哪里？通过采用零IF结构及数字应用技术，似乎可以明确一点，进一步集成对RF元器件不可避免。然而问题仍然在于：进一步集成RF放大器和滤波器会发生在RFIC和/或基带芯片组中，还是有单独的RF集成道路？
多种市场发展态势表明，这种集成可能是分开的，也就是说，将在单独的元件中进行RF集成。例如，在GSM和W-CDMA市场中，RFIC通常由基带芯片之外的不同厂商提供。由于CMOS技术正在不断改进速度和性能，大多数专家同意，基带/RFIC芯片组在未来几年内将变得可行。CMOS技术的低成本使经济推动因素相当显著：一旦CMOS能够支持RFIC的功能，我们可以预计市场将需要可能实现的较低价位。

倪驰銮

2019-6-26 16:48:42

另一方面，功放器和专用滤波器等RF元器件要求的性能与半导体工艺有着很大的差异。功放器要求高线性度，晶体管导致的噪声较低，同时把信号电平提升到接近1W。基于CMOS的放大器近年来取得一定的进步，但预计不会与高迁移性材料争夺高功率应用，因为CMOS工艺是为低电流/低电容晶体管应用优化的。因此，在要求大量功率的移动无线应用中，CMOS放大器在线性度和效率方面有着明显的缺点。
滤波器和双工器给CMOS技术提出了更大的挑战。大多数移动手机目前采用陶瓷、SAW或FBAR谐振器，以利用陶瓷或声音技术提供的高Q优势。CMOS器件中的电感器Q一般约为100，而陶瓷没有负荷的Q值在1000 - 3000之间，单片电路FBAR谐振器的Q值则要高达3000。没有负荷的Q值越高，滤波器的插入损耗越低，滚降越剧烈，从而可以改进抑制性能。因此，许多芯片组供应商考虑把嵌入式滤波器集成到RFIC中。这种方法给简单的滤波器应用带来了一些希望，如GSM接收机和发射机滤波器，其中将在硅晶片流程中制作分散的模具，如FBAR，然后可以把模具嵌入到基带或RFIC器件中。(注：由于石英晶体基底和基于硅的RFIC的热量不匹配，因此可能很难以类似方式集成SAW滤波器。)
在CDMA和W-CDMA等FDD应用中，一般使用双工器把接收机频段和发射机频段分开。由于双工器必须位于天线接口上，因此功放器自然而然地位于RFIC和双工器之间（图3）。因此对CDMA和W-CDMA，把双工器嵌入RFIC中变得有问题。为实现杰出的解决方案，有必要同时集成滤波器技术和功放器技术。

图3 简单的前端模块方框图。
对移动手机应用，在性能、成本和供应商发展动态之间实现最佳平衡似乎需要采用图4所示的结构。由于集成式基带/RFIC芯片组，如绿色显示的手机的数字部分可以被推动到非常低的成本和非常高的性能，因为可以为这些功能优化CMOS工艺和设计。如蓝色所示，一两个单独的RF前端模块将利用GaAs功率器件中更高效的性能及单片电路谐振器拓扑的高Q滤波器性能。

图4 双模式GSM和3G手机的未来移动手机划分。
在过去15年中，移动手机设计的整体发展趋势已经涉及到大规模集成度。这种趋势将继续为未来的多频多模式手机提供性能和成本优势。由于目前多家公司的RF开发取得进展，我们可以期待具有2G和3G功能的手机，并在电路板上留出更多的空间，实现更大的内存、处理能力及更加高级的应用。
作者：Joe Madden，Avago Technologies公司移动/无线市场分析员。

另一方面，功放器和专用滤波器等RF元器件要求的性能与半导体工艺有着很大的差异。功放器要求高线性度，晶体管导致的噪声较低，同时把信号电平提升到接近1W。基于CMOS的放大器近年来取得一定的进步，但预计不会与高迁移性材料争夺高功率应用，因为CMOS工艺是为低电流/低电容晶体管应用优化的。因此，在要求大量功率的移动无线应用中，CMOS放大器在线性度和效率方面有着明显的缺点。
滤波器和双工器给CMOS技术提出了更大的挑战。大多数移动手机目前采用陶瓷、SAW或FBAR谐振器，以利用陶瓷或声音技术提供的高Q优势。CMOS器件中的电感器Q一般约为100，而陶瓷没有负荷的Q值在1000 - 3000之间，单片电路FBAR谐振器的Q值则要高达3000。没有负荷的Q值越高，滤波器的插入损耗越低，滚降越剧烈，从而可以改进抑制性能。因此，许多芯片组供应商考虑把嵌入式滤波器集成到RFIC中。这种方法给简单的滤波器应用带来了一些希望，如GSM接收机和发射机滤波器，其中将在硅晶片流程中制作分散的模具，如FBAR，然后可以把模具嵌入到基带或RFIC器件中。(注：由于石英晶体基底和基于硅的RFIC的热量不匹配，因此可能很难以类似方式集成SAW滤波器。)
在CDMA和W-CDMA等FDD应用中，一般使用双工器把接收机频段和发射机频段分开。由于双工器必须位于天线接口上，因此功放器自然而然地位于RFIC和双工器之间（图3）。因此对CDMA和W-CDMA，把双工器嵌入RFIC中变得有问题。为实现杰出的解决方案，有必要同时集成滤波器技术和功放器技术。

图3 简单的前端模块方框图。
对移动手机应用，在性能、成本和供应商发展动态之间实现最佳平衡似乎需要采用图4所示的结构。由于集成式基带/RFIC芯片组，如绿色显示的手机的数字部分可以被推动到非常低的成本和非常高的性能，因为可以为这些功能优化CMOS工艺和设计。如蓝色所示，一两个单独的RF前端模块将利用GaAs功率器件中更高效的性能及单片电路谐振器拓扑的高Q滤波器性能。

图4 双模式GSM和3G手机的未来移动手机划分。
在过去15年中，移动手机设计的整体发展趋势已经涉及到大规模集成度。这种趋势将继续为未来的多频多模式手机提供性能和成本优势。由于目前多家公司的RF开发取得进展，我们可以期待具有2G和3G功能的手机，并在电路板上留出更多的空间，实现更大的内存、处理能力及更加高级的应用。
作者：Joe Madden，Avago Technologies公司移动/无线市场分析员。

王露

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刘琪琛

石俊梅

倪驰銮

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