手机用集成式射频前端模块发展趋势-edatop.com.pdf

手机用集成式射频前端模块发展趋势 作者：Joe Madden 半导体厂商多年来一直在努力把各种功能集成到大型集成电路 中。我们已经看到，摩尔定律在日常生活中给性能和成本带来了难以 置信的影响。在移动通信终端中，许多元器件要么已经集成到射频芯 片中，要么因直接数字上/下变频器的出现而消失。在通信终端中， 到目前为止一直有两个射频元器件没有被集成，即滤波器和射频功 放。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声表面波(SAW)技术构建，而射频功放则 一直使用砷化镓(GaAs)异质结双极晶体管(HBT)或FET 器件构建。由 于这些技术与射频芯片使用的硅或硅锗工艺有着很大区别，因此功放 和滤波器一直作为分立器件，与现在执行手机大部分射频功能的大规 模集成芯片组分开。 不过，目前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立功能的体积，如当前CDMA PCS 手机设计中 使用的单独的薄膜腔声谐振器(FBAR)滤波器和增强模式伪形态高电 子迁移率晶体管(E-pHEMT)功放器。因此，现在的单片电路滤波器和 放大器技术允许设计人员突破射频集成障碍，重要的技术进步包括声 表面波滤波器、FBAR 滤波器、异质结双极晶体管(HBT)和E-pHEMT。 由于每种技术都把某种射频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，集成起来很不方便。 集成式射频前端模块的好处 最近，一些公司已经开始采用多种芯片技术和板上多芯片(MCOB) 封装开发射频模块。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性能。砷化镓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，改善射频前端的性能。以放大器与滤波器整合为形 成的集成式射频前端模块(FEM)的最明显优势是可以进一步缩小体 积。在一部双频 CDMA 手机的典型布局中，集成了双工器/放大器的 FEM 所需的电路板空间仅是采用分立双工器、滤波器和放大器所需空 间的大约一半，这种尺寸的大幅缩小主要归功于消除若干个元器件使 用的多个输入/输出接口。 集成式射频前端模块的第二个明显优势在于可以实现的效率改 善。通过优化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。其原因是把功放器和滤 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。我们通过一次实验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。在全部三项测试中，双工器的输出功 率都设为+24.5dBm，结果发现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。 集成式射频前端模块的第三个优点在于，由于射频元器件之间的 线路长度可能非常短，因此集成式射频前端模块更不容易受到射频干 扰。通过把多种功能集成到一个微型MCOB 器件中，射频芯片的发射 机输出与天线之间的信号传输长度会变得非常短，因此，PCB 的射频 段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。 进一步集成的未来之路 这一性能改善将把我们带到哪里？通过采用零中频结构及数字 应用技术的其它进步，似乎很明确的一点是，进一步集成对射频元器 件不可避免。问题仍然是：进一步集成射频放大器和滤波器会发生在 射频芯片和/或基带芯片组中，还是有单独的射频集成道路？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 件中进行射频集成。例如，在GSM 和W-CDMA 市场中，射频芯片通常 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，基带和射频芯片组集成在未来几年内将变 得可行。 另一方面，功放器件和专用滤波器等射频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1 瓦。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