先进无线手机的集成策略
    

介绍

过去十年,无线电话设计工程师利用不断提高的组件技术,将越来越多功能集成至精巧、轻薄又低成本的无线手机;总体而言,他们会根据适合某些特定功能的半导体技术来制定他们的集成策略。高性能BiCMOS、硅锗和镓砷已成为无线电的标准制程技术,模拟特性良好的高电压晶圆制程也为模拟和电源管理领域所采用,高密度逻辑和特殊内存技术则被用于数据处理功能。

过去十年,无线电话设计工程师利用不断提高的组件技术,将越来越多功能集成至精巧、轻薄又低成本的无线手机;总体而言,他们会根据适合某些特定功能的半导体技术来制定他们的集成策略。高性能BiCMOS、硅锗和镓砷已成为无线电的标准制程技术,模拟特性良好的高电压晶圆制程也为模拟和电源管理领域所采用,高密度逻辑和特殊内存技术则被用于数据处理功能。

1990年代,虽有部份手机提供模拟 (AMPS) 和数字调变支持,但绝大多数产品都是使用800-900 MHz附近的单一频带,因此这种技术导向策略还可以满足无线设计工程师的需求。到了90年代末期,双频手机已变得很普通,多模手机也开始出现,这种手机可以支持一种以上的多任务存取技术。蓝牙、全球定位系统、无线局域网络和多模无线功能的集成已成为当前主要挑战,由于必须支持的空中传输接口 (air interfaces) 大幅增加,复杂性又跟着升高,利用这些技术发展的应用也对于高性能数据处理有了新的要求。

随着无线手机朝向多媒体通信装置不断演进,OEM厂商是否能依赖半导体集成技术,发展功能规格独特的各种产品?技术导向策略能否带领我们迈进真正的系统单芯片无线手机新时代?本文将探讨这些问题,我们会讨论技术导向集成 (technology-based integration) 的限制,并介绍目前可供使用的另一种替代策略-功能导向集成 (function-based integration)。

技术导向集成

今天的无线手机都包含高性能无线电路,以便处理来自不同频带的无线电信号,包括GSM使用的800 MHz 频带以及蓝牙和无线局域网络的2.4 GHz ISM 频带。手机的电源管理必须提供远超过电池电压的高电压支持,避免充电过程可能造成的损害。手机还需要模拟电路,负责提供高品质音频信道以及射频信号的模拟/数字以及数字/模拟转换。极高性能的逻辑和高密度内存也不可或缺,这样才能处理基带信号、执行通信协议和支持使用者应用,例如游戏、视频、音乐和定位服务。

今天的无线手机都包含高性能无线电路,以便处理来自不同频带的无线电信号,包括GSM使用的800 MHz 频带以及蓝牙和无线局域网络的2.4 GHz ISM 频带。手机的电源管理必须提供远超过电池电压的高电压支持,避免充电过程可能造成的损害。手机还需要模拟电路,负责提供高品质音频信道以及射频信号的模拟/数字以及数字/模拟转换。极高性能的逻辑和高密度内存也不可或缺,这样才能处理基带信号、执行通信协议和支持使用者应用,例如游戏、视频、音乐和定位服务。

今天的无线手机都包含高性能无线电路,以便处理来自不同频带的无线电信号,包括GSM使用的800 MHz 频带以及蓝牙和无线局域网络的2.4 GHz ISM 频带。手机的电源管理必须提供远超过电池电压的高电压支持,避免充电过程可能造成的损害。手机还需要模拟电路,负责提供高品质音频信道以及射频信号的模拟/数字以及数字/模拟转换。极高性能的逻辑和高密度内存也不可或缺,这样才能处理基带信号、执行通信协议和支持使用者应用,例如游戏、视频、音乐和定位服务。

就晶圆制程而言,最直接的方法或许是把制程技术相近的电路集成至相同组件。明显的,这种方式将会得到多颗组件,包括采用硅锗制程的射频接口组件,负责提供多频带和多模无线电功能;采用模拟CMOS制程的模拟/电源管理组件,负责提供整个系统的模拟和电源管理支持;以及一颗大型逻辑组件,负责满足整个系统的处理器,逻辑、甚至是内存需求。

过去几年,无线手机设计人员和芯片制造商就是采取这策略,但却会受到某些限制,无法满足不断进步的业界要求;举例来说,组件之间需要数量庞大的接口来容纳各种信号连接。另一方面,由于无线电、模拟、电源管理和逻辑功能分属不同组件,因此无法透过逻辑处理和无线电前端的集成来降低功耗或减少外部零件数目。

此种方法缺乏弹性,对OEM厂商是非常重大的缺点;举例来说,若因为无线电路采用类似的晶圆技术就把它们集成在一起,所有手机就会包含同样的固定功能,但厂商却可能只想生产功能有限的低阶手机,例如仅支持GSM和蓝牙而不提供无线网络功能,此时就必须略过组件提供的某些无线电路。更严重的是,随着某些新技术出现,OEM厂商或许必须增加无线电功能,才能确保自己的竞争力;但许多情形下,这种发展不但迫使厂商必须修改他们的集成式无线电组件,甚至整个系统都必须重新设计。

这种策略的最大缺点在于它必然会走到集成的瓶颈,因为随着市场继续朝向真正的系统单芯片发展,不兼容的晶圆技术终将无法进一步集成,此时唯有对系统进行大幅修改,改变零件使用的晶圆技术,才能把无线电、逻辑、内存、模拟、电源管理和数据处理功能全部集成至相同组件。

要克服这些限制,就需要全新的集成策略,它必须不同于许多半导体设计人员过去已经采用、目前也仍在遵循的策略。最有希望的新方法是:

功能导向集成

简单的说,这种策略会把特定功能所需的全部电路集成至CMOS硅芯片,例如在单颗芯片上面制造完整的四频带GPRS收发器,包括所有的基带模拟和射频功能。GSM模块包含GSM通信所需的全部无线电、逻辑、模拟数字转换器、数字模拟转换器以及其它电路;同样的,厂商也可发展单芯片解决方案以支持蓝牙、无线网络和全球定位系统。

简单的说,这种策略会把特定功能所需的全部电路集成至CMOS硅芯片,例如在单颗芯片上面制造完整的四频带GPRS收发器,包括所有的基带模拟和射频功能。GSM模块包含GSM通信所需的全部无线电、逻辑、模拟数字转换器、数字模拟转换器以及其它电路;同样的,厂商也可发展单芯片解决方案以支持蓝牙、无线网络和全球定位系统。

简单的说,这种策略会把特定功能所需的全部电路集成至CMOS硅芯片,例如在单颗芯片上面制造完整的四频带GPRS收发器,包括所有的基带模拟和射频功能。GSM模块包含GSM通信所需的全部无线电、逻辑、模拟数字转换器、数字模拟转换器以及其它电路;同样的,厂商也可发展单芯片解决方案以支持蓝牙、无线网络和全球定位系统。

这种集成方式提供许多重要优点。首先,它克服了技术导向策略固有的接口复杂性和电源管理问题,每颗组件的逻辑和无线电功能都能紧密相邻,使得数字处理的优点也能用于无线电功能,进而减少功耗和面积。信号处理链的所有信号接口都会集成至组件中,使得组件接脚数保持在合理水准,易受干扰的外部电路也会减至最少。

由于这些功能全都集成至单颗组件,产品的提供将变得模块化,各种规格的手机也可轻易实现,不需要额外成本,也不会造成功能的浪费-每一种产品设计都只会包含它们真正需要的功能。

最后则是把多颗功能集成组件结合在一起,成为完整的系统组件;基本上,只要出现够大的市场,确保厂商投资得到合理利润,这个集成步骤就会变得很平常。等到支持CMOS功能集成的必要技术出现,厂商就不再需要任何新的基础技术。

功能导向集成范例-蓝牙系统单芯片

要把功能相关的手机零件集成在一起,主要挑战在于发展低成本的晶圆制程技术和电路技术,以便实现如此高阶的功能集成度。晶圆光罩数目必须与基本逻辑CMOS相近,避免额外的晶圆成本;在此同时,电路技术也必须利用CMOS逻辑能力来降低模拟与射频性能需求。这绝不是简单的挑战,因为工程师必须深入解决数百项的无线电性能需求。

要把功能相关的手机零件集成在一起,主要挑战在于发展低成本的晶圆制程技术和电路技术,以便实现如此高阶的功能集成度。晶圆光罩数目必须与基本逻辑CMOS相近,避免额外的晶圆成本;在此同时,电路技术也必须利用CMOS逻辑能力来降低模拟与射频性能需求。这绝不是简单的挑战,因为工程师必须深入解决数百项的无线电性能需求。

要把功能相关的手机零件集成在一起,主要挑战在于发展低成本的晶圆制程技术和电路技术,以便实现如此高阶的功能集成度。晶圆光罩数目必须与基本逻辑CMOS相近,避免额外的晶圆成本;在此同时,电路技术也必须利用CMOS逻辑能力来降低模拟与射频性能需求。这绝不是简单的挑战,因为工程师必须深入解决数百项的无线电性能需求。

近来随着电路设计、先进130纳米晶圆制程、数字射频和系统架构不断创新,这种高阶集成已能实现。图2是单芯片蓝牙组件BRF6150,注意它只包含11颗外部组件,完整参考设计则将蓝牙基带、数字射频和天线开关集成至4.5

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    收录时间:2016年12月07日 14:32:27 来源:电子产品世界 作者:匿名
    上一篇:指纹识别原理  (电脑版  手机版)
     
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