1 系統(tǒng)概述

　　E-GOLDradio將E-GOLDlite手機(jī)基頻電路和SMARTi-SD2RF收發(fā)器電路整合在一個(gè)芯片上，這兩個(gè)元器件已經(jīng)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，并已量產(chǎn)一段時(shí)間了。在芯片單一純CMOS晶粒上放置了所有基頻、內(nèi)部存儲(chǔ)器（RAM和ROM）、混合信號(hào)和RF所需等功能。借此E-GOLDradio可以非常有效的設(shè)計(jì)在一個(gè)6層印刷電路板上，采用很少的鉆孔，因而達(dá)到的系統(tǒng)成本。由于其高度整合性和完整的GSM/GPRS系統(tǒng)，使它可以放置在一個(gè)9mm×9mmLF2BGA-233的覆晶封裝中。它提供的調(diào)制解調(diào)器功能可讓GPRS多重槽（multi-slotclass）達(dá)到12等級(jí)。

圖1 ：E-GOLDradio（GSM/GPRS 單芯片解決方案） 系統(tǒng)概況

　　2 CMOS單芯片解決方案

　　以往在進(jìn)行“系統(tǒng)單芯片”解決方案的整合時(shí)，都是從集成電路的層次開始的，而這里的整合動(dòng)作主要是從外部的元器件，或從低頻混合信號(hào)功能和數(shù)字電路的整合開始。以前做出的電路區(qū)塊會(huì)采用各種不同技術(shù)，例如CMOS和BiCMOS等。而現(xiàn)在以單晶的方式整合在一起，可去除掉許多外部元器件，節(jié)省封裝的成本，發(fā)展出化的整體芯片架構(gòu)，包括先進(jìn)的測試方式等，從而能夠更進(jìn)一步降低成本。

　　除了CMOS單芯片解決方案之外，還有其它熟知的建構(gòu)系統(tǒng)在一個(gè)封裝內(nèi)SysteminPackage（SiP）的方法，例如多芯片模塊（MCM）和堆棧式IC（參看圖2）等等。每一種不同的SiP理念，在生產(chǎn)成本、焊接在電路板、測試方式、以及交叉耦合行為上，都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　除了上述的整合基頻和收發(fā)器功能的方式之外，另一個(gè)延伸出的整合方式是模塊設(shè)計(jì)，這是一種芯片組的整合載體的方式，可將更多的功能放在一起（如前端濾波器、功率放大器等）。

　　3 技術(shù)參考因素

　　為能滿足成本、尺寸和電流消耗的主要需求，采用高度整合的系統(tǒng)單芯片（SoC）解決方案是另一個(gè)被采用較多的方式。其目的是要盡可能降低外部元器件的成本，例如硅晶個(gè)別器件、電阻、電感、電容、外部調(diào)校器件等。而為能達(dá)到程度的整合，可以考慮采用不同的晶圓工藝技術(shù)來制作所需的芯片。當(dāng)然也可使用BiCMOS、SOI（Silicononinsulator）或SiGe的方式，不過，的方式是標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)，也是其它邏輯元件所采用的技術(shù)。

　　一個(gè)典型的0.25μm的CMOS工藝比一個(gè)相當(dāng)?shù)腂iCMOS工藝大約要便宜30%～50%，因?yàn)樗枰墓庹趾凸に嚥襟E比較少。SOI和SiGe工藝技術(shù)在開始時(shí)的材料費(fèi)均比較貴，也需要比較復(fù)雜的工藝，相對(duì)來說，CMOS技術(shù)就很具成本效益，因?yàn)樗粡V泛使用在大量的數(shù)字產(chǎn)品上。惟一能夠從SiGe或BiCMOS技術(shù)上獲得好處的是RF和混合信號(hào)區(qū)塊電路，這和它們的功能效益有關(guān)。

圖2 ：系統(tǒng)封裝之方式。上圖：多芯片模塊，下圖：堆棧之晶粒

　　如要在單芯片解決方案上選擇出的技術(shù)，就必需在不同的技術(shù)之間考慮做妥協(xié)。在做單芯片的整合時(shí)，很明顯的，RF電路必需和基頻部份選擇相同的技術(shù)。所以在技術(shù)速度上，或是更確切地來說，技術(shù)上的躍遷頻率（ft）就扮演著主要的角色。一般的法則，所采用技術(shù)的ft必須是在各不同區(qū)塊所處理的頻率的10倍。近幾年來CMOS技術(shù)在ft上有了相當(dāng)大的改善（參閱圖3），因此，可以用CMOS單芯片的解決方案來做到無線應(yīng)用的各種規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，其中又以GSM/GPRS單芯片為當(dāng)中的發(fā)展。

圖3：以推動(dòng)無線應(yīng)用的fmax來看工藝技術(shù)的進(jìn)步圖2：系統(tǒng)封裝之方式。上圖：多芯片模塊，下圖：堆棧之晶粒

　　E-GOLDradioGSM/GPRSQuadband單芯片系統(tǒng)是采用130nm的bulkCMOS技術(shù)制造。此工藝可做到6個(gè)金屬層（copper）和可用于具高效能模擬區(qū)塊的MIMCAP裝置。氧化物的厚度為2.8nm。此外，在使用I/O電壓方面，該工藝也提供不錯(cuò)的靈活性：例如可以供應(yīng)2.5V之I/O電壓給特定的模擬和接口電路使用。E-GOLDradio所采用的0.13μm工藝技術(shù)還能提供100GHz的ft和大約60GHz的fmax頻率，以及在4GHz時(shí)大約8的整合式線圈（integratedcoils）的品質(zhì)因子（qualityfactor）。電阻的制作，則可用擴(kuò)散或聚合硅晶（polysilicon）的方式。以所有現(xiàn)有的手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)來看，這些參數(shù)可以提供的RF效能，同時(shí)，以技術(shù)觀點(diǎn)而言，也能提供足夠安全的余裕，以確保穩(wěn)定的單晶產(chǎn)品的量產(chǎn)。

　　在單晶式整合RF和基頻的做法上，必需面對(duì)的挑戰(zhàn)之一，是如何避免并克服RF和IC中的數(shù)字電路間所可能產(chǎn)生的的交叉干擾。在我們所討論的E-GOLDradio中，是不需要特別的工藝步驟來降低交叉干擾的。相反的，運(yùn)用精密的系統(tǒng)架構(gòu)（包括IC、封裝、PCB等），加上成熟的設(shè)計(jì)方法和細(xì)心的電路安排，皆是可以減少此類干擾的方式。

　　雖然在整個(gè)面積當(dāng)中，RF只占了一小部份，但以此工藝技術(shù)來制作整體的芯片，其成本頗為高昂。RF的部份對(duì)整體芯片的貢獻(xiàn)，依賴單芯片所針對(duì)的應(yīng)用而定，例如，GSM、藍(lán)牙、WLAN、UWB等等。在此處所整合的記憶數(shù)量和使用于微控制器，及DSP功能的一些電路，占據(jù)了該芯片的其余面積。圖4顯示一個(gè)藍(lán)牙單芯片包含了數(shù)字/內(nèi)存、混合信號(hào)和RF的部份。此種區(qū)域的分割和此處所討論的GSM/GPRS單芯片解決方案非常的類似。

圖4：一顆晶粒上的藍(lán)牙CMOS單芯片，是GSM/GPRS單芯片解決方案區(qū)塊分割的典型代表

　　4 CMOS方塊圖和電路設(shè)計(jì)

　　選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)以及成熟的電路設(shè)計(jì)，在啟動(dòng)電路區(qū)塊時(shí)可以達(dá)到某些參數(shù)的高度要求，例如RF的效能、電流消耗等。特別在GSM/GPRS的應(yīng)用上，這些效能值必須在一個(gè)很大的特定溫度和電壓范圍內(nèi)都能達(dá)到，同時(shí)還要考慮到CMOS技術(shù)的工藝變異。

　　在設(shè)計(jì)模擬電路時(shí)，CMOS技術(shù)能夠提供（有時(shí)會(huì)被低估）相當(dāng)?shù)暮锰帲噍^于較高效能的BiCMOS電路，還是需要一些非常仔細(xì)的設(shè)計(jì)做法，以達(dá)到GSM/GPRSRF參數(shù)上非常嚴(yán)格的系統(tǒng)規(guī)格要求。

　　能夠采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)做出RF的區(qū)塊，代表接下來的步驟是將數(shù)字的部份、混合信號(hào)的部份以及RF的部份整合在一個(gè)晶粒上。如果必須要將數(shù)字設(shè)計(jì)所使用的技術(shù)同時(shí)用在RF的設(shè)計(jì)上，就必須考慮到無法以此技術(shù)得到的模擬效能，因?yàn)樵谧鯮F設(shè)計(jì)時(shí)，必需同時(shí)考慮到晶體管、電阻、電容和電感的RF和噪聲的效能。

　　此外，與獨(dú)立RF電路設(shè)計(jì)一樣，必須特別小心工藝的差異，以及電路的減損和CMOS所額外產(chǎn)生的如1/f噪聲對(duì)接收器和發(fā)射器所造成的影響。

　　如果將RF和數(shù)字功能整合在同一個(gè)晶粒上，就要特別注意交叉耦合的作用。和其它上述比較適合RF的工藝或SOI工藝（silicononinsulator）相比較，在CMOS工藝中比較低電阻值的硅晶基座是造成交叉耦合的原因之一。和CMOS相比較，SOI的接合（junction）電容量比較低，因此交叉耦合作用也較低。保護(hù)環(huán)（Guard-rings）是另一種改善隔離的方式。深溝槽式（deeptrench）的工藝技術(shù)亦可被采用，但其技術(shù)復(fù)雜度高。此外，可以通過聰明地排列各個(gè)不同功能的區(qū)塊以獲得對(duì)于關(guān)鍵模塊的隔離效果。至于更多的交叉干擾，可能通過在電源供應(yīng)上造成的耦合、焊線傳導(dǎo)所造成的耦合等等形成，這些也可經(jīng)由接地、增加緩沖和接腳的妥善安排而獲得改善。

圖5 ：GSM/GPRS單芯片系統(tǒng)的RF部份

　　系統(tǒng)架構(gòu)接收器和發(fā)射器架構(gòu)之選擇架構(gòu)的選擇目標(biāo)是確保低成本實(shí)現(xiàn)，同時(shí)亦能保證有卓越的效能。EGOLDradio的RF部份包含了一個(gè)做TX調(diào)變（modulation）用的sigma-deltaPLL以及一個(gè)RX用的直接轉(zhuǎn)換接收器。選擇的整體架構(gòu)是以SMARTi-SD2為基礎(chǔ)，這是一個(gè)獨(dú)立的RF收發(fā)器，更是一個(gè)成熟的量產(chǎn)設(shè)計(jì)。直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)所帶來的主要好處，是不會(huì)在某些頻率產(chǎn)生不必要的旁波（sideband）。在發(fā)生交叉耦合時(shí)，這些不必要的旁波會(huì)和其它現(xiàn)有的寄生頻率互相混合，因而在整體系統(tǒng)上造成更多的問題。外差式（heterodyne）架構(gòu)的惟一好處，是會(huì)減低AM干擾源的干擾，以及對(duì)閃爍噪聲（flickernoise）比較不敏感。

　　在TX的路徑方面，經(jīng)調(diào)制的PLL方式可協(xié)助減低系統(tǒng)的復(fù)雜度，因?yàn)樗梢詭椭档蛷腜A至VCO的交叉干擾。因?yàn)閮烧叨际窃诓畈惶嗟南辔簧线\(yùn)作。在做環(huán)路（loop）設(shè)計(jì)時(shí)，必須特別小心，尤其是在400kHzoffset頻率時(shí)，系統(tǒng)需要非常好的噪聲抑制效果（參閱圖6）。因此，必須進(jìn)行一些調(diào)整以控制環(huán)路轉(zhuǎn)換功能（looptransferfunction）。

圖6 ：PLL的環(huán)路動(dòng)態(tài)所形成的噪聲頻譜密度（紅色：GSM規(guī)格，藍(lán)色噪聲頻譜）

　　在GSM系統(tǒng)中必需達(dá)成的主要效能參數(shù)，是在接收頻道對(duì)噪聲的要求，在低頻道頻率offset為20MHz的要求是-162dBc/Hz的效能。此外，達(dá)到接收器的靈敏度和非線性的要求，也需要非常好的噪聲效能。很明顯的，這些參數(shù)效能的好壞要看所使用的前端濾波器而定。

　　在TX架構(gòu)中所選的方式是SigmaDelta的調(diào)變法，在克服典型的CMOS擴(kuò)散問題上，這是的妥協(xié)方式。

　　在載波頻率指令上也已加上了預(yù)先失真的調(diào)變。本設(shè)計(jì)所采用的PLL類型，是需要許多的調(diào)整和數(shù)字程序，采用CMOS的工藝，可在一個(gè)非常小的晶粒上很容易的實(shí)現(xiàn)此邏輯程序，圖7a）即為PLL之方塊架構(gòu)圖。在VCO方面，在高波段上，VCO是在兩倍的頻率上運(yùn)作，在低波段上，則在4倍的頻率上運(yùn)作，圖7b）即為VCO之電路圖。本設(shè)計(jì)之VCO的增益（gain）是60MHz+/-10%，其頻率范圍為1300MHz。

圖7：（a）PLL 的方塊圖 （b）VCO 電路

　　此PLL的噪聲效能在20MHzoffset頻率上比-164.5dBc/Hz要來得好，因此，以GSM的規(guī)格要求來說，有足夠的安全范圍。在高波段和低波段的輸出功率，都一直高于2dBm（必需考慮電路板的損失），參閱圖8。

圖8：（a）相位- 噪聲 （b）輸出功率

　　接收器重要的參數(shù)是RX解調(diào)器（demodulator）之閃爍噪聲。閃爍噪聲會(huì)直接導(dǎo)致整體噪聲數(shù)據(jù)的惡化。因此，必需要有一個(gè)設(shè)計(jì)良好的解調(diào)器和完整的LO鏈，而LO交換（switching）信號(hào)的slewrate必需配合整體低功率消耗而達(dá)到化的地步。E-GOLDradio在所有的頻道中均可達(dá)到遠(yuǎn)超過3dB的噪聲水平。在LC的前端裝置一個(gè)2:1的變壓器和balun就可以很容易的達(dá)到匹配。本設(shè)計(jì)所采用的是一個(gè)直接轉(zhuǎn)換的接收器，它需要一個(gè)非常低頻的閃爍噪聲轉(zhuǎn)角頻率（cornerfrequency），以及一個(gè)非常好的IIP2效能，使系統(tǒng)有能力對(duì)抗調(diào)幅式的干擾源，GSM的規(guī)格即有此規(guī)范。

　　如此的話，整體系統(tǒng)就能夠有足夠的效能達(dá)到系統(tǒng)的規(guī)格要求，并能應(yīng)付生產(chǎn)時(shí)所發(fā)生的上下偏差。

　　5 交叉耦合

　　以單芯片系統(tǒng)來說，僅僅注意到各個(gè)單獨(dú)區(qū)塊電路是不夠的。理由相當(dāng)明顯，因?yàn)橐呀?jīng)有一些采用CMOS方式的解決方案可以證明做出達(dá)到GSM標(biāo)準(zhǔn)要求的收發(fā)器。主要的挑戰(zhàn)，是一方面能建構(gòu)出完整的系統(tǒng)，另一方面又能考慮到整合之后所產(chǎn)生的種種作用。這種整體的系統(tǒng)方式，必需考慮到所有可能發(fā)生交叉耦合的機(jī)制，以及其它在整合后的區(qū)塊電路之間互相產(chǎn)生的影響。同時(shí)，也要考慮到IC本身、封裝和電路板的設(shè)計(jì)。

　　處理耦合作用的方式之一，是做整體頻率的規(guī)劃。不論是在接收時(shí)做下降混合（down-mixing），或在發(fā)射時(shí)做載波頻率的調(diào)變，一般來說，可以使用從PLL直接出來的中心頻率，或者將PLL輸出之頻率以一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步做處理，以乘、除、或混合的方式得到其它的頻率。由于實(shí)際電路是不完美的，再加上幾個(gè)交叉耦合的作用，一般都會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)更高頻的諧波和混合波，而不是只有所需要的單一載波頻率。這些額外的頻率會(huì)出現(xiàn)在輸出的頻譜上，成為寄生頻率。除了在輸出頻譜上會(huì)發(fā)現(xiàn)這些寄生頻率之外，這些頻率還會(huì)影響blocking行為。

　　要減低這些不需要的頻率，可以采用幾個(gè)措施，例如智能型的頻率轉(zhuǎn)換器或特別的設(shè)計(jì)等。從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來看，小心的做頻率規(guī)劃，也可以減少交叉耦合作用，也就是說，注意高諧波或混合波的頻率位置。另外，在模擬和數(shù)字信號(hào)的處理上，也要做到化的分割。降低模擬式的濾波方式，增加數(shù)字的部份，是的技術(shù)性尺寸縮小法，因?yàn)槟M式需要低電容密度的線性電容器。在RF部份和數(shù)字部份采用同樣的技術(shù)，可運(yùn)用數(shù)字信號(hào)的處理法做出比純模擬法更先進(jìn)的接收器和發(fā)射器架構(gòu)。

　　為能獲得RF解耦合至數(shù)字部份的做法，本設(shè)備采用一個(gè)很適當(dāng)?shù)碾娫垂?yīng)概念。此外，封裝的排列（BGA封裝）對(duì)芯片架構(gòu)也有很大的影響，因此，必須一并考慮IC內(nèi)部的排列（也就是功能性區(qū)塊的配置）方法，以獲得整體的效能。

　　6 GSM/GPRS系統(tǒng)

　　E-GOLDradio芯片是將基瀕和收發(fā)器功能整合在一起的解決方案，它是BP3平臺(tái)的一部份，該平臺(tái)的目標(biāo)是2G行動(dòng)電話，采用此平臺(tái)可以設(shè)計(jì)出整合度的裝置，成為市場上完整的系統(tǒng)解決方案。除了GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器功能（包括整合式的基頻和RF收發(fā)器、天線開關(guān)以及功率放大器），此平臺(tái)還包括功率管理、內(nèi)存等等。此BP3平臺(tái)可讓客戶在短的時(shí)間開發(fā)出具吸引力和競爭性的行動(dòng)電話。另外還具備各種各樣的強(qiáng)大功能元件。例如，主要和次要彩色顯示器、鍵盤、照相機(jī)，都在硬件參考設(shè)計(jì)當(dāng)中，客戶能容易的達(dá)到特定的市場需求。

圖9：在 LF2BGA-233 Flip 芯片封裝BGA封裝內(nèi)的E-GOLDradio

圖10：E-GOLDradio 可在尺寸的面積中提供完整的調(diào)制解調(diào)器傳輸功能

　　E-GOLDradio具備高整合度，能夠以大小在6cm2的范圍內(nèi)的印刷電路板做到完整調(diào)制解調(diào)器的功能。外部需使用的元器件大約在70個(gè)左右，不需任何特別定制的元器件。因此，提供了一個(gè)完善功能組的業(yè)界的eBOM。