低頻和高頻RF無(wú)線系統(tǒng)的集成具有很大差異。在高頻段，由于CMOS工藝能實(shí)現(xiàn)的帶寬高于雙極工藝，因而是RF電路首選工藝，通常RF-CMOS不會(huì)與數(shù)字CMOS集成在同一個(gè)芯片上。在低頻段最重要的系統(tǒng)是蜂窩通信系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的RF功能集成的重點(diǎn)在于無(wú)源元件的集成。本文介紹了通過(guò)多片封裝或模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)源元件與RF有源元件集成的策略。

信息在通信系統(tǒng)的兩點(diǎn)傳輸過(guò)程中，射頻功能扮演了重要角色。在這類系統(tǒng)中，RF功能通常與其它功能在物理上分離，RF發(fā)射與接收一般是由不同的IC來(lái)實(shí)現(xiàn)。為減小系統(tǒng)尺寸并降低成本，人們不斷探索將RF與系統(tǒng)其它功能集成的方法，其中特別是DSP技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了十分重要的影響。除了這種RF與非RF集成的發(fā)展趨勢(shì)外，RF器件本身還有其它集成發(fā)展趨勢(shì)。這些不同的發(fā)展趨勢(shì)是因?yàn)椴煌到y(tǒng)需要不同的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的RF功能。例如，在將接收信號(hào)傳遞到低噪聲放大器(LNA)之前，有些系統(tǒng)要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效濾波，這需要采用陶瓷濾波器或聲表面波(SAW)濾波器來(lái)對(duì)接收信號(hào)濾波，但這些濾波器都不能集成到接收器IC中。

低頻與高頻系統(tǒng)的區(qū)別

低頻與高頻系統(tǒng)之間的一個(gè)重要區(qū)別是，后者只能在發(fā)射器與接收器之間不存在阻擋的情況下才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，而低頻系統(tǒng)沒(méi)有這樣的要求，因此能實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋面積。低頻和高頻之間并沒(méi)有明顯的分界點(diǎn)，其過(guò)度頻率在2-5GHz之間，并取決于系統(tǒng)特性，例如發(fā)射器輸出功率和接收器靈敏度。本文以2.4GHz作為高低頻率的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。高頻系統(tǒng)還可以分為長(zhǎng)距離系統(tǒng)和短距離系統(tǒng)。長(zhǎng)距離系統(tǒng)如雷達(dá)、衛(wèi)星鏈路、基站鏈路、固定無(wú)線寬帶接入(FWBA)等，這些系統(tǒng)要求的發(fā)射功率都高于短距離系統(tǒng)，如藍(lán)牙和802.11a/b等。

高頻RF集成

短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的目標(biāo)市場(chǎng)是消費(fèi)電子市場(chǎng)，因而要求尺寸小且成本低，并且隨著通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸視頻流的應(yīng)用需求增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率將不斷增加。這些系統(tǒng)基本上都是便攜式電池供電的產(chǎn)品，要求長(zhǎng)的待機(jī)和通話時(shí)間。

由于工作在高頻段的發(fā)射器較少，因此高頻率系統(tǒng)(高于2.4GHz)可以實(shí)現(xiàn)高帶寬和適中的接收器選擇特性。同樣，接收器的信噪比(S/N)很高，因而發(fā)射器的輸出功率可以較低。例如，802.11b在2.4GHz時(shí)具有11Mbps的帶寬，802.11a在5GHz下可以高達(dá)54Mbps。采用更寬的波段或更復(fù)雜的調(diào)制方法要求更嚴(yán)格的信號(hào)線性度，而線性度與發(fā)射器緊密相關(guān)。

圖1為CMOS和BiCOS所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較

系統(tǒng)采用的工藝技術(shù)與所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率有關(guān)，圖1為CMOS和BiCOS所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較。假設(shè)fmax與能得到的工作頻率直接相關(guān)，很明顯CMOS是比較好的選擇。此外，CMOS還能滿足不嚴(yán)格的選擇性、信噪比和輸出功率要求，但由于工作電壓低而使動(dòng)態(tài)性能降低。然而，由于很多系統(tǒng)工作于開放頻段上，這樣在發(fā)射器和接收器之間將可能有很多發(fā)射設(shè)備互相干擾，如微波爐干擾藍(lán)牙通訊就是一個(gè)典型實(shí)例。

盡管CMOS在高頻具有這些優(yōu)勢(shì)，但BiCMOS技術(shù)具有雙極技術(shù)的RF模型、晶體管參數(shù)匹配的優(yōu)點(diǎn)，而且BiCMOS設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)更豐富。在工藝選擇上尺寸并不是主要考慮因素，因?yàn)?.18um CMOS或BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙收發(fā)器功能的芯片尺寸相近。

如果選擇CMOS工藝，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS將是發(fā)展趨勢(shì)，由于這些數(shù)字CMOS本身已經(jīng)采用了多層掩模工藝，因此將不會(huì)再增加其它選項(xiàng)。數(shù)字功能將占據(jù)最大的芯片面積，因此主要的成本將產(chǎn)生在這些數(shù)字功能部分。

使用主流CMOS工藝將數(shù)字電路和RF功能集成在單塊芯片上還有意義嗎？這個(gè)問(wèn)題需要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：從技術(shù)角度看，采用為實(shí)現(xiàn)RF功能而改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS是可能的，如高阻抗基底減少通過(guò)基底的串?dāng)_，采用厚介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)源元件的高品質(zhì)因素等；從集成的角度看，將標(biāo)準(zhǔn)CMOS應(yīng)用于射頻以及在一個(gè)芯片上集成數(shù)字和RF功能沒(méi)有太多的好處，因?yàn)閿?shù)字和RF的模型和庫(kù)有著根本上的不同。數(shù)字電路經(jīng)常用VHDL/Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)，CMOS技術(shù)的數(shù)字庫(kù)通常在新技術(shù)出現(xiàn)之前就已實(shí)現(xiàn)，這些數(shù)字庫(kù)一代一代地使用，因此設(shè)計(jì)工程師可以在下一代工藝發(fā)布之前進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)。

對(duì)于RF設(shè)計(jì)而言，只有在工藝出現(xiàn)后才可能有模型和庫(kù)，因此RF器件具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。由于RF功能一般沒(méi)有1:1的可再使用模塊，因此每個(gè)新器件幾乎必須從零開始開發(fā)。RF庫(kù)通常落后于數(shù)字庫(kù)1-2年，使用主流CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)RF功能，意味著在工藝上將落后一代。因此，在一個(gè)芯片上集成數(shù)字和RF功能意味著將采用上一代CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字功能，而通常實(shí)現(xiàn)成本更高。而且，無(wú)源元件(電感)和RF/模擬功能并不能真正隨著CMOS工藝技術(shù)同步發(fā)展，因此，RF部分所占面積相對(duì)于數(shù)字部分將隨不同的技術(shù)代而增加。