無線通信領(lǐng)域中的模擬技術(shù)(蜂窩基站)發(fā)展趨勢

無線通信領(lǐng)域中的模擬技術(shù)（蜂窩基站）發(fā)展趨勢

目前，移動計(jì)算與通信設(shè)備很普通。數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展正是支持上述發(fā)展的驅(qū)動力，不過模擬電子技術(shù)發(fā)展也同樣重要，二者缺一不可。

每個(gè)人都希望在各方面能獲得更多實(shí)惠：體積更小、功能更多、用電更少、封裝更好、成本更低，等等。特性越豐富，自然就越好，為了滿足這一要求，今天的離散解決方案就是明天的集成解決方案。這就意味著更小、更省電、成本更低、可靠性更高這些因素將推動市場的發(fā)展。集成與創(chuàng)新是制造商獲得市場成功所必須實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵目標(biāo)。

數(shù)字 “以 2 為基數(shù)”，也就是說信號不是一種狀態(tài)就是另一種狀態(tài)，不是“開”就是“關(guān)”，不是“真”就是“假”，不是“1”就是“0”，以此類推。

模擬信號在各種狀態(tài)中連續(xù)工作。模擬信號是世間萬物工作的方式，也是人類感官感知世界的方式。因此，要處理“現(xiàn)實(shí)”世界的光與聲等信號，就需要模擬信號處理。

在蜂窩基站中，數(shù)字電子技術(shù)執(zhí)行許多復(fù)雜的功能，通常在軟件與固件控制下工作。而收發(fā)信號則需要模擬電子技術(shù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器用于將信號從一個(gè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)換到另一個(gè)領(lǐng)域，即從數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬并從模擬轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字。圖 1 顯示了發(fā)送 （Tx） 與接收 （Rx） 架構(gòu)以及目前常用的相關(guān)半導(dǎo)體工藝。

發(fā)送側(cè)架構(gòu)的基本功能是通過在 DSP（數(shù)字信號處理器）或 ASIC（專用集成電路）中運(yùn)行“程序”生成數(shù)字域信號，隨后信號由被稱作 DUC（數(shù)字上變頻器）的專用數(shù)字電子設(shè)備進(jìn)一步處理，再通過 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為模擬信號，進(jìn)行混合、過濾與放大，并通過天線發(fā)送。

接收側(cè)的過程剛好相反。天線接收的模擬信號通過模擬電子設(shè)備放大、混合并過濾，再通過 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為數(shù)字。一旦成為數(shù)字格式，則信號首先由被稱為 DDC（數(shù)字下變頻器）的專用電子設(shè)備處理，然后再由 ASIC 或 DSP 處理。

許多蜂窩基站制造商都力圖增強(qiáng)系統(tǒng)性能并降低尺寸與成本。有兩種方法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，一是功率放大器（PA）的線性化，二是電子設(shè)備的集成，近期就將朝這兩個(gè)方向發(fā)展。

手機(jī)（手持終端）已成功地集成了收發(fā)功能。這也是基站設(shè)計(jì)的目標(biāo)，不過基站所需的性能水平要高得多，因此現(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)還很困難。

PA 線性化

為了滿足頻帶外傳輸規(guī)范要求，PA（功率放大器）在較高的 A 類上工作，效率低于 10%。這需要大型器件以及大量電能。為了優(yōu)化 PA 的尺寸與效率，我們正在開發(fā)線性化技術(shù)。

最簡單的 PA 線性化方法之一就是降低波峰因數(shù)。降低波峰因數(shù)壓縮了信號“峰值”并降低線性操作所需的平均功率。它也向信號添加“噪聲”，這樣所有可用的波峰因數(shù)降低約為 3dB，并仍可滿足 BER（位誤差率）的 EVM（誤差向量值）規(guī)范。不過，3dB 還是 3dB。

此外，PA 線性化技術(shù)更大的突破是可使信號預(yù)失真。預(yù)失真是 PA 線性化的“法寶”，有望使 PA 效率優(yōu)于 25%。不過這也非常復(fù)雜，并要求了解 PA 失真特性--而該特性的變化方式非常復(fù)雜。該方法的基本思路是使 PA 預(yù)失真，這樣當(dāng)傳輸信號經(jīng)過PA 時(shí)就不會失真，并滿足傳輸屏蔽 （mask） 的要求。挑戰(zhàn)在于 PA 的失真（即非線性）特性會隨時(shí)間、溫度以及偏壓 （biasing） 的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，盡管能為一個(gè)器件確定特性并設(shè)計(jì)正確的預(yù)失真算法，但要對每個(gè)器件都進(jìn)行上述工作在經(jīng)濟(jì)上則是不可行的。為了解決上述偏差，我們須使用反饋機(jī)制，對輸出信號進(jìn)行采樣，并用以校正預(yù)失真算法。

集成：常見功能與常見技術(shù)

蜂窩基站的另一發(fā)展趨勢符合人們對電子技術(shù)的期待，也就是集成更多功能。集成的目的在于讓功能模塊變得更小，降低功耗，減少成本并提高可靠性。

集成通常采取的第一步就是將多個(gè)部件放在一個(gè)封裝中。因此，我們的分集接收機(jī)采用一個(gè)雙功能部件，而不是采用兩個(gè) ADC。另一種方法就是集成使用相同工藝技術(shù)的功能。因此，放大器與混頻器可以集成在一起。

架構(gòu)發(fā)展是減少組件數(shù)量并提高性能的另一種方法。其實(shí)例之一就是使用正交調(diào)制器與解調(diào)器。

圖 2 顯示了包括 PA 線性化集成度更高的發(fā)送器。在該例中，波峰因數(shù)降低技術(shù)（CFR） 與數(shù)字預(yù)失真 （DPD） 都借助 DSP 或微處理器 （μC） 控制集成到單芯片中。為了實(shí)現(xiàn)分集，我們使用兩條發(fā)送路徑，并在一個(gè)部件中集成了多個(gè) DUC。可以看出，正交調(diào)制需要兩個(gè)雙 DAC，而放大器也組合到調(diào)制器中。發(fā)送信號的采樣在 PA 進(jìn)行，并像上面介紹的那樣反饋用于線性化目的。這基本上是一個(gè)接收路徑，帶有集成放大器與混頻級，一個(gè)封裝中有兩個(gè) ADC。

圖 3 給出了帶有分集接收機(jī)集成度更高的接收機(jī)。每個(gè)信道都集成了 LNA（低噪聲放大器），帶有正交解調(diào)器、濾波功能、可變增益以及雙 ADC。通過使用正交解調(diào)，可用更簡單的 Nyquist 濾波器及抽選濾波器替代了 DDC 功能。

集成：數(shù)字與模擬

真正的挑戰(zhàn)來自在單芯片上混合數(shù)字與模擬功能。高頻數(shù)字邏輯會產(chǎn)生“噪聲”，“噪聲”通過電源、其他共用連接以及輻射狀的 （radiated） 路徑傳導(dǎo)。噪聲在模擬電路中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定著信噪比（SNR），而信噪比則是模擬系統(tǒng)中動態(tài)范圍的關(guān)鍵品質(zhì)因素。高性能數(shù)字意味著邏輯速度快，高性能模擬意味著動態(tài)范圍高，將兩者放置在同一 PCB（印制電路板）上需要很高的工程設(shè)計(jì)技巧，在芯片級上進(jìn)行集成會更困難。

盡管先進(jìn)的模擬電壓最近成功地從 12V 下降到 5V 與 3.3V，不過他們很難再降低，達(dá)到數(shù)字內(nèi)核電壓目前的水平。這是由于噪聲在工作電壓下降時(shí)不下降，因此模擬工作電壓必須保持在足夠的高度才能提供良好的 SNR。較低的電壓不足以提供高動態(tài)范圍模擬信號所需的性能空間。

最先進(jìn)的數(shù)字工藝不包括高性能模擬組件。此外，最先進(jìn)的數(shù)字工藝與最先進(jìn)的模擬工藝之間在工藝特性尺寸上有很大差距。例如，德州儀器 （TI） 剛投產(chǎn)的最新型 DSP 采用了 C027 90nm 制造工藝，而 TI 最新高性能模擬工藝 HPA07 與 BiCom-III 則基于 350nm 的 CMOS 工藝。

模擬工藝的起點(diǎn)是穩(wěn)定的數(shù)字工藝。不管數(shù)字工藝晶體管提供什么線性功能，都作為片上模擬功能。即使如此，在工藝早期階段，我們的重點(diǎn)仍是數(shù)字；而模擬功能只限于那些不需要額外工藝步驟或修改的項(xiàng)目。一旦工藝成熟并成功制造最新系列的高速邏輯產(chǎn)品，則數(shù)字工藝開發(fā)人員接下來就會開始下一工藝節(jié)點(diǎn)的工作，模擬組件設(shè)計(jì)人員就會努力采用該工藝推出更高的模擬功能。開發(fā)與改進(jìn)模擬組件需要時(shí)間。高性能模擬工藝推出的時(shí)間通常比基本數(shù)字工藝的投產(chǎn)要晚幾年。

TI 的 HPA07 與 BiCom-III 先進(jìn)模擬工藝建立在 350nm CMOS 工藝基礎(chǔ)上，該工藝最初開發(fā)用于數(shù)字組件。因此，二者都有著廣泛的數(shù)字庫。基本 CMOS 工藝的電源要求與速度使其目前不適用于領(lǐng)先的 DSP 與 ASIC。同時(shí)，工藝的成熟也使模擬組件設(shè)計(jì)人員能夠推出高度專業(yè)化的工藝，可滿足各種不同終端設(shè)備應(yīng)用的不同產(chǎn)品需要。

HPA07

HPA07 精確模擬 CMOS 工藝為通信以及其他系統(tǒng)的低噪聲而設(shè)計(jì)，在上述應(yīng)用中，模擬與高速數(shù)據(jù)功能必須共存，并須盡可能減小信號干擾。該工藝有助于模擬集成，實(shí)現(xiàn)了良好的邏輯門密度、較好的模擬組件性能，并提供埋層隔離使模擬信號免受高頻數(shù)字電路的干擾。

HPA07 集成了 5V 與 3.3V 數(shù)字邏輯器件以及存儲器，并添加了專門用于模擬功能的晶體管與無源組件。該工藝經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，符合噪聲、晶體管線性以及組件匹配與穩(wěn)定性方面的高性能標(biāo)準(zhǔn)。它極其適用于運(yùn)算放大器、ADC、DAC、電壓參考與穩(wěn)壓器以及儀表放大器。HPA07 還可實(shí)現(xiàn)多達(dá) 40 個(gè)組件的靈活設(shè)計(jì)，同時(shí)還以相當(dāng)少的屏蔽使成本保持在可控范圍之內(nèi)。

HPA07 CMOS 晶體管噪聲與失真都很低，它們采用掩埋信道 PMOS 技術(shù)制造，為此類器件實(shí)現(xiàn)了極高的增益帶寬/噪聲比。帶有很低溫度系數(shù)的激光微調(diào)硅鉻 （SiCr）薄膜電阻器可在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。晶圓的單獨(dú)處理可實(shí)現(xiàn) 16 位初始 （initial） 電阻器匹配，比業(yè)界典型情況多出四位。它還具有漏極擴(kuò)展 （drain-extended） CMOS 晶體管，可為高振幅信號應(yīng)用處理高達(dá) 30V 的電壓。

此外，HPA07 提供了電壓系數(shù)提高 4 倍的金屬-絕緣體-金屬 （MIM） 電容器，并提供了高精度 TiN 聚合物 （TiN-Poly） 電容器、較厚的銅金屬路由層與存儲器。這些特性使模擬工藝能夠推出高精度集成產(chǎn)品。

OPA300 與 OPA301 只是該工藝生產(chǎn)的眾多產(chǎn)品中的最初產(chǎn)品而已。它們具有 150MHz 的單位增益帶寬、3nV/√Hz 的低電壓噪聲以及 30ns 內(nèi) 0.1% 的建立時(shí)間。OPA300 采用工作電壓為 2.7V （±1.35V） 至 5.5V （±2.75V） 的單電源供電，并具有關(guān)機(jī)功能，可將電源電流降低至 5μA，這對便攜式低功耗應(yīng)用非常有用。它們?yōu)轵?qū)動高速 SAR ADC 提供了低功耗單電源解決方案，同時(shí)還不影響性能。

BiCom-III

BiCom-III 是一種硅鍺 （SiGe） 工藝，為超高精度模擬集成電路而開發(fā)。它是一種電介質(zhì)絕緣的硅 （Si） 基工藝，并在基區(qū)加鍺 （Ge）?；鶇^(qū)加鍺大大提高了載流子遷移率，實(shí)現(xiàn)了極快的瞬態(tài)時(shí)間。該工藝實(shí)現(xiàn)了真正互補(bǔ)的雙極 NPN 與 PNP 晶體管，傳輸頻率 （fT） 為 18GHz，最大頻率 （fmax） 為 40-60GHz?；パa(bǔ)晶體管可實(shí)現(xiàn) AB 類放大器級，這對設(shè)計(jì)高速、高性能模擬電路至關(guān)重要。該工藝實(shí)現(xiàn)的速度是較早工藝的三倍。

高速模擬設(shè)計(jì)技術(shù)的其他優(yōu)勢在于：金屬-絕緣體-金屬 （MIM） 電容器電壓系數(shù)很低、電阻匹配極佳 （0.1%）、電介質(zhì)絕緣 （DI）（也稱作絕緣硅 （SOI））。該工藝技術(shù)降低了寄生電容，并為增大的線性度生成很高的晶體管電流與增益爾利 （early） 電壓乘積（β×VA）。

BiCom-III 工藝先進(jìn)性能的實(shí)例之一是 THS4304。它是首款單位增益穩(wěn)定的 3GHz電壓反饋運(yùn)算放大器。它設(shè)計(jì)用于高性能高速模擬信號處理鏈中，在 +5V 單電源下工作。

THS4304 可提供 3GHz -3dB 的單位增益帶寬、830V/μs 的轉(zhuǎn)換速率、+45dBm 的三階輸出截取 （OIP3）@20MHz、2.8nV/√Hz 輸入噪聲以及 7.5ns 建立時(shí)間內(nèi)達(dá)到 0.01%，與此同時(shí)僅消耗 90mW 的靜態(tài)功率。

要想了解 THS4304 獨(dú)樹一幟的性能，不妨將它與圖 4 所示的主要 （premier） ±5V 運(yùn)算放大器進(jìn)行比較。競爭產(chǎn)品 X 對小至 +2V/V 的增益進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償，許多設(shè)計(jì)人員都認(rèn)為它是現(xiàn)有失真最低的 ±5V 運(yùn)算放大器之一。

該圖顯示了在 5V 電源下工作的 THS4304 與在 ±5V 電源下工作的競爭部件的二階及三階諧波失真 （HD2 & HD3） 性能。每個(gè)放大器的增益都是 +2V/V，將 2Vp-p 傳動到 100Ω 負(fù)載。請注意，盡管 THS4304 對單位增益 （G=+1V/V） 進(jìn)行補(bǔ)償，且所需的補(bǔ)償要高于就 G=+2V/V 的補(bǔ)償情況，但在電源電壓減半的情況下仍然具有極佳的失真性能。

結(jié)論

新型工藝技術(shù)正推動用于蜂窩基站的高性能組件的集成。這一推進(jìn)力量與拓?fù)浼皠?chuàng)新型設(shè)計(jì)解決方案（如正交調(diào)制器與解調(diào)器）方面的進(jìn)步以及 PA 線性化技術(shù)的結(jié)合，將降低成本、降低功耗需求、減小尺寸、提高可靠性，使未來的基站在尺寸上更小巧。要在單個(gè)器件上集成所有數(shù)字與模擬功能，工藝技術(shù)還有很長的路要走，而要想以低成本實(shí)現(xiàn)上述目的，則要走的路還更長。

作者簡介：

James Karki 是德州儀器高速放大器與 RF 戰(zhàn)略市場營銷經(jīng)理以及實(shí)驗(yàn)室研究組成員。他在模擬與數(shù)字電子技術(shù)方面擁有超過 26 年的經(jīng)驗(yàn)，過去七年來一直在 TI 的放大器應(yīng)用與新產(chǎn)品定義領(lǐng)域工作。他畢業(yè)于華盛頓州西雅圖的華盛頓大學(xué)，獲 BSEE 學(xué)位。