CMOS RF进驻手机,机遇与挑战并存

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      尽管围绕CMOS RF的争论一直没有停止,但是没有人能够怀疑,CMOS RF在手机中的应用势不可挡。由于手机制造商寻求产品最小尺寸下的功能最大化,并希望降低整个系统成本,因此CMOS成为RF收发器制造被寄予厚望的技术。
 
      与高性能的SiGe相比,CMOS RF不可避免地要在性能与功耗、成本之间进行折衷,同时也要面临一些设计挑战。然而,对于成本敏感的无线移动终端,EDGE、3G毫无疑问将成为CMOS RF的必争之地。目前,英飞凌、飞思卡尔、Silicon Labs等CMOS RF领域的先入者,在该市场的耕耘正在日渐深入。

全面进驻手机 

      在低端手机市场,两年前就有TI、英飞凌、Silicon Labs等陆续推出集成基带、RF及电源管理等功能的CMOS单芯片GSM手机方案;在中高端手机市场,将采用CMOS工艺的射频器件集中在收发器以及一些功率放大器(PA)上,英飞凌、飞思卡尔、Silicon Labs等表现活跃。

      在手机RF收发器市场以高于60%的份额位居第一的英飞凌,已经开始全面向CMOS收发器转移。据英飞凌亚太区射频业务部门产品经理Arun Paiwankar介绍:“英飞凌CMOS收发器的出货量已经超过BiCMOS收发器。”目前,其SMARTi射频收发器包括三类产品线,支持GSM/GPRS、EDGE、WCDMA和WCDMA/EDGE。该公司希望,能够借助覆盖几乎所有移动通信标准的竞争优势全面出击CMOS RF。

      英飞凌0.13微米 RF CMOS射频收发器产品包括:用于GSM/GPRS的SMARTiSD,第一代产品(PMB6270)几乎成为商业通用选择,并于今年发布了第二代产品SMARTiSD2(PMB 6271);用于EDGE的SMARTiPM(PMB 6272),已应用于三星EDGE手机;用于WCDMA的SMARTi3G(PMB5701)和用于WCDMA/EDGE的SMARTi3GE(PMB 6952)。Paiwankar指出:“SMARTiSD未来趋势是RF与基带集成,基带、射频模块的数字化接口是SMARTiPM未来发展趋势,在3G市场,多频带、多模以及支持最新的HSDPA/HSUPA标准将成为未来主流发展方向。”

     “相信手机将更多采用CMOS RF工艺,这主要是因为其拥有成本优势,不仅能够降低BOM成本和功耗,同时还具有制造灵活性和成熟的核心架构,可重复用于几代手机技术。” Paiwankar进一步称,“SMARTiPM复用了SMARTiSD2 80%的专利。”

      全线产品都使用CMOS工艺的Silicon Labs,对CMOS RF的拥戴更不言而喻。Silicon Labs是最早一家在GSM收发器和PA中大量使用CMOS工艺的供应商,并已成功量产。目前,该公司的RF业务包括单片GSM/GPRS解决方案AeroFONE、GSM/GPRS/EDGE 收发器和PA,以及FM调谐器和发射器。

      Silicon Labs无线产品营销经理Gary Levy称,与其它工艺相比,除了具有成本低、尺寸小优势外,CMOS还允许设计者把复杂的RF/模拟电路和数字电路单片集成在一起。

      RFX300-20和RFX300-30是飞思卡尔多模/多频带WCDMA/EDGE RF子系统,前者是一个四芯片射频子系统,集成了MMM6000收发器和MMM6029 GSM/EDGE的PA模块,以及MMM6007 三频带WCDMA收发器、MMM6032 WCDMA的PA模块,并提供DigRF接口。而RFX300-30具有集成的PA模块和收发器模块,以及电源管理单元。

     当前,ADI量产的RF器件都没有采用CMOS工艺,其高速信号处理器业务部产品线经理David Robertson透露,ADI已经投入了很大的力量做CMOS RF研发,但采用CMOS工艺的时间表尚不明确,他表示3G使用CMOS的速度会更快,多频带会先转到CMOS上来。

折衷与挑战

  然而,CMOS设计确实也面临一些挑战。在完成某些复杂系统设计,尤其是需要严格的RF性能和更大的数字集成时,CMOS需要特殊的电路技术,同时还不可避免地要在性能与功耗、成本之间进行折衷。

  将RF和数字基带集成到单芯片的一个主要挑战,是两部分之间可能出现串扰问题。 Paiwankar指出:“我们通过采用防护环或使用深槽隔离结构等特殊方法来增强防串扰性能。”

  Silicon Labs开发了一种革命性的专利架构,可以把复杂的RF和逻辑功能集成到数字领域,然后用DSP和其他技术适当地修正信号,并最大限度地开发CMOS集成度。

  “1/f噪声是CMOS本身的缺陷,设计者正试图采用可以平衡的工艺来降低这个缺点。”飞思卡尔半导体无线及移动系统部射频技术市场及应用经理梁伟权表示。比如用PMOS晶体管来代替NMOS作为振荡器和电压控制器的元件;更多成熟的电路级的低噪声振荡器的方法和VCO设计;fractional-N合成器架构;以及在高频振荡器、VCO、PLL等的输出端采用分频器等等。

  CMOS的速度相对较慢、增益较低而且噪声较大,往往需要其它方面的努力抵消这种劣势,诸如增加工作电流或采用更为复杂的设计。但是就目前RF CMOS工艺而言,并没有实现可以媲美SiGe BiCMOS工艺的性能,因此,Maxim认为SiGe产品会占领高端市场,特别是在高性能要求的领域,如光通信等。

未来移动终端的机遇

  在未来的移动终端上,RF CMOS有着广阔的发展前景。这是因为相对于无线基础构架市场,无线移动终端市场是一个对成本极为敏感的市场,成本的优势往往最终决定了市场的成功。

 “我们相信CMOS是EDGE收发器和3G空中接口的最佳选择,CMOS技术可以更大限度地重复使用EDGE收发器内核,从而提供最小、最高度集成的3G方案。”Levy称,“用户越来越希望手机可以集成更多功能,如数码相机、FM收音机、MP3播放器和视频播放等,而手机制造商将继续面对更小、功能更强、成本更低的需求挑战。”

  为了实现EDGE收发器和基带之间用数字串口连接,Levy称,DigRF工作组正在努力定义一个开源的工业标准界面,允许在收发器和基带之间更好地对RF、逻辑和数字电路进行隔离。

  飞思卡尔的梁伟权认为,RF CMOS在EDGE、3G等产品领域存在很多机会,特别是在RF收发器上。但他同时表示,CMOS要在不久的将来完全取代SiGe、GaAs是不太可能的,特别是在有更高性能需求的PA和PM等功能模块领域,它们需要很强的电源管理能力。

  CMOS有单片集成多模式/多频带收发器的趋势,但对于手机应用来说,在CMOS SoC上集成PA、天线开关、非平衡变压器和RF去耦合电容等功能仍然很有挑战。梁伟权表示,为了开发满足上市时间需求的产品,需要更先进的RF封装技术来克服以上这些问题。

  对此,Paiwankar称:“为保持多模器件(EDGE/WCDMA)满足不同市场要求的灵活性,根据不同的工艺要求,我们依然看到收发器和PA是分离的。尽管如此,不同的分区(如PA+开关和收发器+滤波器)进一步减少了RF设计中的关键组件的数量,并且相关技术还在不断发展。”