靈巧劃分在WiMAX射頻中的應(yīng)用

數(shù)字革命通過改造人們與周圍世界的關(guān)系已經(jīng)改變了我們通信、工作和旅行的方式。數(shù)字化電子設(shè)備通過支持由各種便攜式、可訪問的交互式通信媒體構(gòu)成的巨大網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)改造了我們的世界。然而，數(shù)字技術(shù)大有前途的優(yōu)勢只有當它和模擬技術(shù)的能力一樣好時才能體現(xiàn)出來，以便忠實地將由“1”和“0”表示的數(shù)字語言還原為原始的模擬信號。

數(shù)字革命的進步一直遵循摩爾定律——芯片中的晶體管數(shù)目每18個月翻一番。而模擬技術(shù)遵循的則是墨菲定律來表述——如果可能出現(xiàn)任何錯誤的話，那么，一定是定律本身的錯誤。模擬技術(shù)以更為有規(guī)律的步調(diào)發(fā)展，支配其發(fā)展的不是工藝的增強，而是在電路和物理晶體管建模中的創(chuàng)新。這些技術(shù)創(chuàng)新從多個維度逐步提高性能、降低功耗和提高集成度。

集成趨勢和靈巧劃分案例
集成趨勢是隨著產(chǎn)量和系統(tǒng)成熟程度而變化的；在許多情況下，系統(tǒng)的認可和單位產(chǎn)量絕不能證明經(jīng)過多輪改進的開發(fā)是正確的。在其它一些諸如基站、儀器儀表和軍事的應(yīng)用中，嚴格的性能要求導(dǎo)致必須采用分立方案實現(xiàn)。在有些情況下，例如用戶普遍認可的蜂窩和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，競爭壓力迫使不斷降低成本。由于技術(shù)的部署成本越來越昂貴(例如掩模工藝、測試工具和工程成本)，從而需要回報來支撐相關(guān)研發(fā)投資的增加。同時，競爭壓力迫使公司在標準生命周期的早期大量投資。如果市場已經(jīng)起飛，而一個公司的芯片組還沒有準備好，那么其結(jié)果可能是非?？膳碌摹?/p>

事實上，為了確保當市場起飛時一切都準備好，企業(yè)不得不做前期投資，而且這種投資金額越來越高；與此同時，客戶要求他們的供應(yīng)商提供越來越高的性能。如何從當今復(fù)雜的通信系統(tǒng)所要求的研發(fā)投入中獲得可接受的回報成為一個非常棘手的問題。根據(jù)SoC的復(fù)雜程度——90nm線寬制造工藝所需的開發(fā)成本可以很容易就達到1千萬到2千萬美元，有時甚至更高。一個新設(shè)計的成功與否取決于對其IP頗有價值的市場的認知，以及后續(xù)各階段為滿足用戶需求的合作伙伴的選取。能夠全面解決各方面系統(tǒng)開發(fā)問題的公司越來越少。然而，重點放在性能成本、上市時間和資金回報卻是最根本的要求。

對于新興的通信應(yīng)用(例如WiMAX)，第一代系統(tǒng)通常已經(jīng)采用多芯片IC進行開發(fā)。媒體訪問控制器(MAC)和調(diào)制解調(diào)器部分可采用FPGA和現(xiàn)成的DSP；射頻(RF)部分通常采用分立元件，例如LNA、混頻器和頻率合成器，使用ADC和DAC橋接模數(shù)之間的鴻溝。隨著產(chǎn)量增加，數(shù)字邏輯各部分經(jīng)常被集成到一塊特定的ASIC上，在某些情況下，為了與高集成度的RF解決方案一起使用，ADC/DAC也被集成到數(shù)字ASIC上。對于尺寸受限制的其它應(yīng)用，例如手機和USB軟件狗，模擬和數(shù)字功能模塊需要被集成在一起，或者在一個系統(tǒng)中采用多芯片模塊封裝，或者采用單芯片。有許多不同的方法可以用來減小芯片面積和降低成本，而現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是隨著產(chǎn)量的上升、芯片面積和成本下降。在某些情形下，成本為王，甚至可以犧牲RF性能(例如，一些WLAN消費應(yīng)用)，盡管用戶可能沒有認識到這一點。而在另一些情形下，芯片面積是關(guān)鍵，所以功能的集成度是驅(qū)動力。

成功的秘訣不止一條。各個企業(yè)憑借許多不同的集成方法和降低成本策略已經(jīng)取得了成功。顯然，開發(fā)方案的選擇必須使電子材料成本(eBOM)、封裝尺寸和上市時間最小。系統(tǒng)劃分的靈巧設(shè)計對取得成功起到重要作用。

圖1：混合電路中模擬和數(shù)字的傳統(tǒng)劃分方法。

傳統(tǒng)劃分方法：上市時間風險
將混合信號電路集成到一顆數(shù)字ASIC上會帶來許多實現(xiàn)難題，并且產(chǎn)生上市時間問題，更重要的是給產(chǎn)品帶來了收益時間風險。即使混合信號內(nèi)核已經(jīng)單獨得到驗證，其性能卻取決于集成環(huán)境。其中電源布線、寄生電容和工藝變化——這些對于純數(shù)字芯片并不重要的問題——現(xiàn)在都變得格外重要。

從經(jīng)過FPGA驗證的純數(shù)字設(shè)計到流片生產(chǎn)需要2~6個月的時間，主要取決于復(fù)雜度、設(shè)計流程和自動化工具。另一方面，完成混和信號設(shè)計到首次流片所需要的時間是數(shù)字設(shè)計的三倍——假設(shè)模擬內(nèi)核是現(xiàn)成的且所選擇的制造工藝適當且經(jīng)過驗證。由于信號幅度處于微伏范圍的模擬電路對數(shù)百萬個晶體管開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲特別敏感，所以需要特別關(guān)注并進行多次設(shè)計和布線檢查，從而增加了流片生產(chǎn)周期和提供樣片的時間。

問題并非無法克服。有多種方法可以用來減輕電路中的相互干擾，但這些方法都需要精心設(shè)計定制的掩模版圖，它需要工程時間和資源。當然需要開發(fā)一套完整的可能超出工程團隊能力范圍的新的核心能力。

評估板的設(shè)計和布線也對器件的混合信號部分的性能有著重要影響。在參考設(shè)計板上的模擬I/O對外部噪聲很敏感，所以設(shè)計的混合部分的電源布線需要高度隔離。除去模擬I/O會使噪聲耦合問題減到最小，此外，可以解決來自不同廠家提供的模擬內(nèi)核(例如，RF芯片和混合信號轉(zhuǎn)換器內(nèi)核)的接口問題。例如，一些現(xiàn)有的ADC內(nèi)核推薦采用一個分立5V運放驅(qū)動緩沖器，以達到產(chǎn)品使用說明中規(guī)定的性能。對于采用更小線寬(例如130nm或90nm)工藝制造的調(diào)制解調(diào)器，當使用不同廠商的RF芯片時，必須減少信號擺幅和共模電平并加以匹配。這些附加的考慮還需要寶貴的工程資源。

為了爭奪市場份額，在市場上屈居第二通常意味著必須大幅度削減產(chǎn)品價格。如果選擇純數(shù)字或FPGA設(shè)計流程則可以把產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的時間縮短6~12個月。

獲得功能正常的硅片僅僅是第一步——把混合信號IC投入生產(chǎn)卻面臨其自身的挑戰(zhàn)?；旌闲盘栯娐穼σ恍┕に囎兓苊舾?，例如門限、泄漏、材料電阻和其它工藝參數(shù)。通常，隨著混合信號的性能降低，系統(tǒng)性能也將隨之降低。

對于大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品市場，具備多個制造基地的生產(chǎn)能力是確保及時供貨和最優(yōu)化成本的根本保證。相對于數(shù)字設(shè)計對制造廠的選擇時無所謂而言，而將混合信號電路的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到不同的制造廠則是很花費時間的，而且可能需要大面積的重新設(shè)計和優(yōu)化技能。將資源與不同制造商的制造流程整合在一起通常是很困難的，盡管這些資源在其它地方卻都用得很好。

傳統(tǒng)劃分存在的另一個重要問題是它需要一個成對匹配方法。換言之，因為ADC和DAC與RF部分是分離的，所以迫使兩顆芯片和多個功能電路之間共同參與同一實時環(huán)路，例如自動增益控制和發(fā)射功率控制環(huán)路。為了最優(yōu)化由分立器件構(gòu)成的參考設(shè)計，要預(yù)先做一些重要工作。

以上這些模擬信號和混合信號設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)使系統(tǒng)級設(shè)計團隊減少了對其核心競爭力的關(guān)注，并且可能推遲新產(chǎn)品投放市場的時間。

靈巧劃分
隨著RF CMOS工藝的成熟以及模擬和RF建模能力的進步，現(xiàn)在就有可能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其它混合信號模塊集成到RF IC之中。下面將介紹為何在一些通信系統(tǒng)中用數(shù)字接口替代傳統(tǒng)模擬基帶接口，從而提供一種“靈巧”的系統(tǒng)劃分方法。

這里推薦的劃分方法包括對諸如RF系統(tǒng)級芯片之類的功能單元的適當劃分，從而提供一套完整的從RF到數(shù)字轉(zhuǎn)換的解決方案，其中包括控制環(huán)路所需要的全部功能，如自動增益控制、發(fā)射功率控制和RF校準環(huán)路。在射頻前端引入控制環(huán)路不但便于使用而且更易于與不同數(shù)字基帶物理層(PHY)調(diào)制解調(diào)器的混合和匹配。ADI/Q數(shù)字I/Q接口是為RF前端和數(shù)字基帶之間的接口而提供的。該接口包含雙向控制線和數(shù)據(jù)線，并支持互操作性且易于使用。實時軟件控制的減少導(dǎo)致系統(tǒng)的設(shè)計更為簡單。全部模擬信號和RF專用控制部分都被劃分到RF前端。