E-GOLDradio CMOS 单芯片解决方案成就低成本 GSM 系统

文章摘要： 要通过技术选择实现单芯片解决方案，必须考虑到不同技术之间的技术交换。很明显，要实现单芯片集成， RF 组件必须采用和基带部分相同的工艺。因此，理论上的速度，或者更确切地说，该技术的转移频率（ft）在这些考虑中占主要地位。作为一条经验法则，该技术的转移频率必须是在不同构件中处理的最高信号频率的10倍。由于在过去的几年中在CMOS转移频率方面所取得的巨大进步（见图3），CMOS单芯片解决方案可以成为无线应用标准。与此同时，GSM 单芯片也是英飞凌所取得的最新进展。 E-GOLD

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要通过技术选择实现单芯片解决方案，必须考虑到不同技术之间的技术交换。很明显，要实现单芯片集成， RF 组件必须采用和基带部分相同的工艺。因此，理论上的速度，或者更确切地说，该技术的转移频率（ft）在这些考虑中占主要地位。作为一条经验法则，该技术的转移频率必须是在不同构件中处理的最高信号频率的10倍。由于在过去的几年中在CMOS转移频率方面所取得的巨大进步（见图3），CMOS单芯片解决方案可以成为无线应用标准。与此同时，GSM 单芯片也是英飞凌所取得的最新进展。

E-GOLDradio GSM四频带单芯片系统使用130nm的bulk CMOS工艺制造。这种工艺可以实现高达6 个金属层（铜）的设计，并针对高性能模拟构件提供一个潜在的MIMCAP设备。其氧化物的厚度仅为2.8nm。此外，这种工艺还可以在提供适用的I/O 电压方面（如用于专门的模拟和接口电路的2.5V I/O电压）有很大的灵活性。E-GOLDradio芯片所采用的0.13 m工艺可以实现100GHz的转移频率和约 60GHz的最高频率，并在频率为4GHz时，将集成线圈的质量提高约8倍，可以通过扩散或多晶硅方法实现电阻器。从技术角度而言，这些参数为所有现存的手机标准提供了出色的射频性能， 并提供了足够的空间以确保实现单芯片产品的稳定量产。

将射频芯片和基带芯片集成在单个芯片上需要面临的一个主要挑战是：避免和克服该集成电路上射频和数字部分之间可能出现的串扰。尽管需要满足这些要求，但仍然不需要采取特殊的工艺来提高在此所述的E-GOLDradio的防串扰性能。相反，它是通过复杂的系统结构（包括集成电路、封装、印刷电路板等）、成熟的设计方法和经过认真挑选的线路图来实现的。

因为射频部分在整个芯片上只占很小的面积，利用该工艺制造整个芯片可以极大地降低间接制造成本。射频部分在整个芯片上所占的面积取决于该芯片针对哪种应用，如GSM、蓝牙、WLAN、UWB等。被集成的内存数量和用于微控制器和数字信号处理功能而使用的核心占据了芯片的大部分剩余面积。图4显示了蓝牙单芯片分区的一个典型例子，包括数字/内存、混合信号和射频部分，它与GSM单芯片解决方案的分区类似。

CMOS 构件和电路设计

合适的技术和成熟的电路设计使一些构件能够满足射频性能、电流消耗等特定参数方面的高要求。尤其是对于GSM应用来说，必须在较大的温度和电压范围内达到这些性能要求，同时，还必须考虑CMOS工艺中出现的工艺偏差。

CMOS技术可以为模拟电路设计带来许多益处，但与性能高许多的BiCMOS电路相比，还需要在设计方面采取一些非常细致的措施，以便能够满足GSM射频参数方面非常严格的系统要求。

利用标准CMOS工艺实现射频模块的能力，在将数字部分、混合信号和射频部分集成于同一个芯片方面获得巨大进展。如果在射频部分设计中采用了数字部分所采用的相同技术，必须考虑到该技术没有针对模拟性能进行优化。在射频部分设计中还必须考虑晶体管、电阻器、电容器和电感器在射频和噪音方面的性能。此外，同在独立式设计中所做的一样，还需要特别注意工艺方面的偏差，尤其需要注意由于电路损坏和其他CMOS缺点（如1/f噪声）对接收器和发射器造成的影响。

如果在同一个芯片上集成射频和数字功能，需要特别注意交叉耦合效果。交叉耦合的来源之一可能是CMOS工艺中的低电阻硅衬底。采用防护环是一种可以提高隔离效果的方法。还可以使用深槽，但这会导致技术复杂性的提高。此外，应该通过对不同的功能模块进行合理的放置来实现关键模块之间最大程度的隔离。由于电源的耦合以及接合线感应而导致的耦合等，可能会出现更多的串扰。这些串扰可能会受到接地、缓冲和针脚放置的影响。

接收器和发射器系统结构选择

进行结构选择是为了确保实现低成本应用，同时保证更牢靠、更高的性能。E-GOLDradio芯片的射频部分（见图5）由用于发射调制的sigma-delta锁相环电路，和一个用于接收的直接转换接收器组成。所选定的整体设计基于SMARTi-SD2，为一种独立的射频收发器。这种收发器采用成熟的设计，目前已开始量产。直接转换结构的主要好处是在特定频率偏移时不会出现不必要的边带。考虑到交叉耦合，这些不必要的边带可能会同其他存在的杂散混合，并可能会导致这个系统中出现更多的问题。外差结构的唯一好处是可以降低对调幅干扰信号造成的影响，并减少对闪烁噪声的敏感度。

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