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GSM前端中下一代CMOS开关设计 通信网络 免费猫

发布时间:2020-02-17 13:04:18 阅读: 来源:空气锤厂家

GSM前端中下一代CMOS开关设计 - 通信/网络 - 电子工程网

早期手机设计采用环行器在发身与接收间双工通信。然而,若想用上述设计来支持多个频带,就需要多个环行器。这类铁氧体基设计使手机既体积大又价格昂贵。并且在某些场合下,由于环行器带宽太窄,根本不能正常工作。其它可供选择的方案有高频开关和滤波器组。它们同样存在成本或体积的问题。

GSM手机是在时间双工基础上工作的,自然前端最好采用只有开关的实施方案。这是因为双工滤波器的插入损耗比开关高得多,而且在目前,它还承受不了GSM的功率电平。GSM手机占有60%的手机销售份额,因此本文集中介绍GSM系统对开关的要求,并讨论各种固体开关技术。同时,其它标准的集成也值得一提,主要是GSM手机中UMTS(通用移动通信系统“下一代”全球通用手机)应用,它们需要使用附加的开关路径。

GSM前端难题

GSM手机的功能已得到极大的扩展,为了覆盖整个地球可支持多达4个不同的工作频带,形成4个发射路径和4个接收路径。考虑到相邻TX频带十分接近,用一个功放覆盖GSM850和GSM;另一个功放覆盖DCS和PCS。每个RX路径各用一个滤波器,通常是SAW滤波器,这样总计需6个路径。这类结构通常采用SP6T(单刀6掷)开关。相比之下,最简单的GSM手机仅工作在单个频带,只需SP2T开关。

由于开关功能处于手机的前端,它的插入损耗性能直接影响功放的有效PAE(功率放大效率)和系统NF(噪声值)。NF增加直接等于天线与LNA(低噪声放大器)间的插入损耗,而PAE降低则由下式给出:

PAE= PAE *10-IL/10

GSM功放工作在饱和方式,输出功率可达2W,PAE也很高,约为60%,由于手机的总消耗电流有一半来自功放,因此高效率对它的电池寿命是至关重要的。然而,高PAE又易受高插入损耗的不良前端体系结构的影响。例如,一个PAE为60%的放大器,基功放与天线间的插入损耗是1.5dB,那么它的有效APE仅为42.5%。开关电路中的任何附加电流消耗将进一步降低有效PAE。

众所周知,GSM手机的输出功率要求很高,达+33dBm±2dB,因而对前端的线性度也提出了极其苛刻的要求。线性度是利用谐波抑制来规定的,要求规定在12.75GHz的频率范围内,基波的所有谐波应抑制到低于-30dBm。

为了保持低插入损耗,设计人员在设计时,未使用路径通常具有较高隔离度。但对3频带或4频带手机,由于GSM TX频带和GSM850 RX频带是重叠的,PCS TX频带和DCS RX 频带是重叠的,因此又会出现一个特殊殊的问题。在发射期间,RX带通滤波器并不能对通过开关漏入的发射信号提供任何衰减。要想保护跟随在RX滤波器之后的LNA,开关本身必须提供至少35dB的隔离度。

GSM标准明文规定的还有开关时间要求。发射与接收之间的停留时间为28μs。当从RX开关至TX时,10μS内不能发送信号,以便完成开关动作。尽管有10μS间时,设计人员宁愿将开关时间设定在1-5μS之间,确可开关在TX发射前达到稳定状态。同时,一旦功放工作开关还应符合谐波抑制要求。从TX到RX规定的开关时间是相同的。

由于前端开关直接连接到天线,开关的又一个艰巨任务是要有强ESD承受能力。根据IEC1000-4-2规范,手机设计应能承受±16KV空气放电。这类ESD模型相当于330欧母电阻与150PF电容的串联,比人体模型更易损坏。开关本身要具有这个强度,否则,要另加保护元件。

一旦上述技术要求都已圆满解决,前端开关解决方案还附加有尺寸和高度的约束条件。面积和高度两者都有严格的限制,其高度不得超过1.5mm。由于前端开关通过集成在多层衬底中(如LTCC低温共烧陶瓷),已建立的行业标准规格因子为减少体积提供了可依据的路线图。考虑到ASM(天线开关模块)是无线电部分最高的封装,因此可缩小ASM尺寸的种种技术备受手机生产厂商的青睐。LTCC具有在衬底中高品质因数无线集成的能力,但增加无源元件需附加的LTCC层,从而增加了模块的厚度。功放谐波滤波器可集成在衬底上,而频率隔直电容和ESD保护不得不放置在模块的外部。某些ASM在LTCC顶部集成有CMOS译码器以及SAW滤波器。

符合GSM手机技术要求有多种开关技术,且各有各的优点和缺点,这些技术在下一节详加讨论。

开关解决方案

图1、SP2T开关结构:(a)PIN二极管; (b)GaAs IC; (c)RF CMOS IC

上世纪七十年代,PIN二极管的出现标志固体开关行业的诞生。PIN二极管具有极低的插入损耗和谐波器畸变,仍然是ASM的主导技术。然而,PIN二极管存在着自身的缺陷,不能构成完整的ASM。为了偏置二极管,模块需设置隔直电容和供电电感。为了制作多刀开关,又需用四分之一波长的二极管串、并联组合(见图1a)LTCC中,900MHz的四分之一波长相当于几个厘米,这些传输线增加了二极管基ASM的尺寸。

GAAS PHEMT(准晶高电子迁移率晶体管)开关(见图1b)能减少ASM的体积并降低其复杂度,已成为除PIN二极管外又一种可行的替代品。采用GAAS开关,每条路径需用多个FET,还需一条控制线。此外,与PIN不同,PHEMT FET本质上承受不了17.8Vpk GSM信号。只有将多个FET串联在一起,将电压分散到每个器件,才能满足功率容量要求。并联FET能提高隔离度,增强抗扰度,当然控制信号数也要从6个翻番至12个。为了满足GSM的35dB隔离度要求,必须使用并联FET或级联开关。

为了减少PHEMT ASM接口的复杂性,通常在ASM中备有一个CMOS 译码芯片。尽管能实现增强型和耗尽型两种器件的PHEMT工艺已在研发之中,但目前仍不能在PHEMT中制作互补器件,因此无法实现静态逻辑器件。附加CMOS芯片会增加面积和路由的复杂性。要想防止RF耦合至控制信号,布局设计时要谨慎行事。

GAAS开关的ESD承受能力较低,通常为250~500V,需另加保护。正是这一要求与实现困难度两方面因素,迫使很多设计人员放弃真正的SP6T开关,转而改用2个SP3T和双工器组合结构。双工器提供ESD保护,代价是设计中增加了0.4dB插入损耗。某些供应商选择另一种实施方案,即在单个IC中将SP4T和SP3T级联起来。SP4T的输出路由至RX端口,形成RX与TX两个开关的串联。这个方案在频带重叠区提供适当的隔离来保护LNA,但同时也增加了插入损耗,从而增加噪声值。

GAAS开关是用耗尽型FET制作的,其负VGS值应低于截断电压,将器件关闭。此外,要想和来自CMOS逻辑的正控制信号一起工作,FET是隔直的,且源和漏要偏置在CMOS电源VDD电压。这样才有可能用O_VDD信号来控制GAAS开关。隔直电容可集成在LTCC中,虽然它会增加面积和LTCC衬底的层数。

最近,RFCMOS异军突起,并已进入前端开关领域(见图1c)。传统上,RF CMOS仅适合低压应用,但器件和电路技术的突破,使RF CMOS开关完全能满足GSM的各项要求。

Ultra CMOS技术

RF CMOS工艺可分为两大类:体硅工艺和SOI(绝缘体上硅)工艺。由于体硅CMOS在源和漏至衬底间存在二极管效应,造成种种弊端,多数专家认为采用这种工艺不可能制作高功率高线性度开关。与体硅不同,采用SOI工艺制作的RF开关,可将多个FET串联来对付高电压,就象GAAS开关一样。

SOI的一个特殊子集是蓝宝石上硅工艺,在该行业中通常称为Ultra CMOS。蓝宝石本质上是一种理想的绝缘体,衬底下的寄生电容的插入损耗高、隔离度低。Ultra CMOS能制作很大的RF FET,对厚度为150~225μm的正常衬底,几乎不存在寄生电容。

Ultra CMOS 工艺的基本结构如图2所示。晶体管采用介质隔离来提高抗闩锁能力和隔离度。为了达到完全的耗尽工作,硅层极薄至1000A。硅层如此之薄,以致消除了器件的体端,使它成为真正的三端器件。目前,Ultra CMOS 是在 标准6寸工艺设备上生产的,8寸生产线亦已试制成功。示范成品率可与其它CMOS工艺相媲美。

图2、Ultra CMOS 器件结构图

尽管单个开关器件的BVDSS相对低些,但将多个FET串联堆叠仍能承爱高电压。为了确保电压在器件堆上的合理分压,FET至衬底间的寄生电容与FET的源与漏间寄生电容相比应忽略不计。当器件外围达到毫米级使总电阻较低时,要保证电压的合理分压,真正的绝缘衬底是必不可少的。

Ultra CMOS 开关插入损耗低,隔离度高。SP6T结构消除了双工器,大大地减少了总插入损耗。为了满足IEC1000-4-2ESD要求,天线处并联一个27nH电感再串联一个33pF电容已绰绰有余。这些元件也可集成在LTCC中,增加的插入损耗不到0.1dB。

GSM开关设计,特别是采用低压工艺,最困难之处在于满足线性度要求。上面已提及,只要将多个器件按需堆叠,就能实现任意高功率要求,然而在满足规范的同时,还要优化器件堆结构以减少芯片尺寸。已设计了一个示范性开关,当电源电压为2.4V时,其谐波功率对输入功率的关系和压缩性能示于图3中。在最大工作功率+35dBm处,Ultra CMOS开关相对于GSM规范-30dBm要求还有6dB的余量。采用Ultra CMOS工艺,畸变对正、负电压摆动是对称的,因而从本质上二次谐波的畸变是很低的。考虑到GSM发射频带的二次谐波恰好落在DCS接收频带中,低偶次谐波畸变正是GSM系统需要的。

图3、GSM线性度性能(a)输出谐波功率对输入功率关系;(b)压缩性能

Ultra CMOS 的蓝宝石衬底特别适合倒装工艺。蓝宝石属于陶瓷类,其热膨胀系数和LTCC十分匹配。蓝宝石也是仅次于宝石最硬的衬底,能承受大的机械压力。具备这些特性的开关极易倒装在LTCC衬底上,消除了连线压焊占用面积。真正晶圆级芯片规模封装已在研发中,最终能生产出和标准表面贴装元件一样的开关。

小 结

Ultra CMOS 开关消除了译码器,隔直电容和双工器。该工艺和芯片规模封装技术相结合,能大大减少LTCC ASM的尺寸和厚度。高固有ESD承受能力和3控制线接口能简化实施方案和使用。Ultra CMOS工艺的高成品率以及实现更多开关掷数的可扩展性,为下一代手机更高级集成提供了可依遁的路线图。

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