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早期手機設計采用環行器在發身與接收間雙工通信。然而，若想用上述設計來支持多個頻帶，就需要多個環行器。這類鐵氧體基設計使手機既體積大又價格昂貴。并且在某些場合下，由于環行器帶寬太窄，根本不能正常工作。其它可供選擇的方案有高頻開關和濾波器組。它們同樣存在成本或體積的問題。 GSM手機是在時間雙工基礎上工作的，自然前端最好采用只有開關的實施方案。這是因為雙工濾波器的插入損耗比開關高得多，而且在目前，它還承受不了GSM的功率電平。GSM手機占有60%的手機銷售份額，因此本文集中介紹GSM系統對開關的要求，并討論各種固體開關技術。同時，其它標準的集成也值得一提，主要是GSM手機中UMTS（通用移動通信系統“下一代”全球通用手機）應用，它們需要使用附加的開關路徑。 GSM前端難題 GSM手機的功能已得到極大的擴展，為了覆蓋整個地球可支持多達4個不同的工作頻帶，形成4個發射路徑和4個接收路徑。考慮到相鄰TX頻帶十分接近，用一個功放覆蓋GSM850和GSM；另一個功放覆蓋DCS和PCS。每個RX路徑各用一個濾波器，通常是SAW濾波器，這樣總計需6個路徑。這類結構通常采用SP6T（單刀6擲）開關。相比之下，最簡單的GSM手機僅工作在單個頻帶，只需SP2T開關。 由于開關功能處于手機的前端，它的插入損耗性能直接影響功放的有效PAE（功率放大效率）和系統NF（噪聲值）。NF增加直接等于天線與LNA（低噪聲放大器）間的插入損耗，而PAE降低則由下式給出： PAE="PAE"*10-IL/10 GSM功放工作在飽和方式，輸出功率可達2W，PAE也很高，約為60%，由于手機的總消耗電流有一半來自功放，因此高效率對它的電池壽命是至關重要的。然而，高PAE又易受高插入損耗的不良前端體系結構的影響。例如，一個PAE為60%的放大器，基功放與天線間的插入損耗是1.5dB，那么它的有效APE僅為42.5%。開關電路中的任何附加電流消耗將進一步降低有效PAE。 眾所周知，GSM手機的輸出功率要求很高，達+33dBm±2dB，因而對前端的線性度也提出了極其苛刻的要求。線性度是利用諧波抑制來規定的，要求規定在12.75GHz的頻率范圍內，基波的所有諧波應抑制到低于-30dBm。 為了保持低插入損耗，設計人員在設計時，未使用路徑通常具有較高隔離度。但對3頻帶或4頻帶手機，由于GSM TX頻帶和GSM850 RX頻帶是重疊的，PCS TX頻帶和DCS RX 頻帶是重疊的，因此又會出現一個特殊殊的問題。在發射期間，RX帶通濾波器并不能對通過開關漏入的發射信號提供任何衰減。要想保護跟隨在RX濾波器之后的LNA，開關本身必須提供至少35dB的隔離度。 GSM標準明文規定的還有開關時間要求。發射與接收之間的停留時間為28μs。當從RX開關至TX時，10μS內不能發送信號，以便完成開關動作。盡管有10μS間時，設計人員寧愿將開關時間設定在1-5μS之間，確可開關在TX發射前達到穩定狀態。同時，一旦功放工作開關還應符合諧波抑制要求。從TX到RX規定的開關時間是相同的。 由于前端開關直接連接到天線，開關的又一個艱巨任務是要有強ESD承受能力。根據IEC1000-4-2規范，手機設計應能承受±16KV空氣放電。這類ESD模型相當于330歐母電阻與150PF電容的串聯，比人體模型更易損壞。開關本身要具有這個強度，否則，要另加保護元件。 一旦上述技術要求都已圓滿解決，前端開關解決方案還附加有尺寸和高度的約束條件。面積和高度兩者都有嚴格的限制，其高度不得超過1.5mm。由于前端開關通過集成在多層襯底中(如LTCC低溫共燒陶瓷)，已建立的行業標準規格因子為減少體積提供了可依據的路線圖。考慮到ASM（天線開關模塊）是無線電部分最高的封裝，因此可縮小ASM尺寸的種種技術備受手機生產廠商的青睞。LTCC具有在襯底中高品質因數無線集成的能力，但增加無源元件需附加的LTCC層，從而增加了模塊的厚度。功放諧波濾波器可集成在襯底上，而頻率隔直電容和ESD保護不得不放置在模塊的外部。某些ASM在LTCC頂部集成有CMOS譯碼器以及SAW濾波器。 符合GSM手機技術要求有多種開關技術，且各有各的優點和缺點，這些技術在下一節詳加討論。 開關解決方案 圖1、SP2T開關結構：（a）PIN二極管； (b)GaAs IC； (c)RF CMOS IC 上世紀七十年代，PIN二極管的出現標志固體開關行業的誕生。PIN二極管具有極低的插入損耗和諧波器畸變，仍然是ASM的主導技術。然而，PIN二極管存在著自身的缺陷，不能構成完整的ASM。為了偏置二極管，模塊需設置隔直電容和供電電感。為了制作多刀開關，又需用四分之一波長的二極管串、并聯組合（見圖1a）LTCC中，900MHz的四分之一波長相當于幾個厘米，這些傳輸線增加了二極管基ASM的尺寸。 GAAS PHEMT（準晶高電子遷移率晶體管）開關（見圖1b）能減少ASM的體積并降低其復雜度，已成為除PIN二極管外又一種可行的替代品。采用GAAS開關，每條路徑需用多個FET，還需一條控制線。此外，與PIN不同，PHEMT FET本質上承受不了17.8Vpk GSM信號。只有將多個FET串聯在一起，將電壓分散到每個器件，才能滿足功率容量要求。并聯FET能提高隔離度，增強抗擾度，當然控制信號數也要從6個翻番至12個。為了滿足GSM的35dB隔離度要求，必須使用并聯FET或級聯開關。 為了減少PHEMT ASM接口的復雜性，通常在ASM中備有一個CMOS 譯碼芯片。盡管能實現增強型和耗盡型兩種器件的PHEMT工藝已在研發之中，但目前仍不能在PHEMT中制作互補器件，因此無法實現靜態邏輯器件。附加CMOS芯片會增加面積和路由的復雜性。要想防止RF耦合至控制信號，布局設計時要謹慎行事。 GAAS開關的ESD承受能力較低，通常為250~500V，需另加保護。正是這一要求與實現困難度兩方面因素，迫使很多設計人員放棄真正的SP6T開關，轉而改用2個SP3T和雙工器組合結構。雙工器提供ESD保護，代價是設計中增加了0.4dB插入損耗。某些供應商選擇另一種實施方案，即在單個IC中將SP4T和SP3T級聯起來。SP4T的輸出路由至RX端口，形成RX與TX兩個開關的串聯。這個方案在頻帶重疊區提供適當的隔離來保護LNA，但同時也增加了插入損耗，從而增加噪聲值。 GAAS開關是用耗盡型FET制作的，其負VGS值應低于截斷電壓，將器件關閉。此外，要想和來自CMOS邏輯的正控制信號一起工作，FET是隔直的，且源和漏要偏置在CMOS電源VDD電壓。這樣才有可能用O_VDD信號來控制GAAS開關。隔直電容可集成在LTCC中，雖然它會增加面積和LTCC襯底的層數。 最近，RFCMOS異軍突起，并已進入前端開關領域（見圖1c）。傳統上，RF CMOS僅適合低壓應用，但器件和電路技術的突破，使RF CMOS開關完全能滿足GSM的各項要求。 Ultra CMOS技術 RF CMOS工藝可分為兩大類：體硅工藝和SOI（絕緣體上硅）工藝。由于體硅CMOS在源和漏至襯底間存在二極管效應，造成種種弊端，多數專家認為采用這種工藝不可能制作高功率高線性度開關。與體硅不同，采用SOI工藝制作的RF開關，可將多個FET串聯來對付高電壓，就象GAAS開關一樣。 SOI的一個特殊子集是藍寶石上硅工藝，在該行業中通常稱為Ultra CMOS。藍寶石本質上是一種理想的絕緣體，襯底下的寄生電容的插入損耗高、隔離度低。Ultra CMOS能制作很大的RF FET，對厚度為150~225μm的正常襯底，幾乎不存在寄生電容。 Ultra CMOS 工藝的基本結構如圖2所示。晶體管采用介質隔離來提高抗閂鎖能力和隔離度。為了達到完全的耗盡工作，硅層極薄至1000A。硅層如此之薄，以致消除了器件的體端，使它成為真正的三端器件。目前，Ultra CMOS 是在 標準6寸工藝設備上生產的，8寸生產線亦已試制成功。示范成品率可與其它CMOS工藝相媲美。 圖2、Ultra CMOS 器件結構圖 盡管單個開關器件的BVDSS相對低些，但將多個FET串聯堆疊仍能承愛高電壓。為了確保電壓在器件堆上的合理分壓，FET至襯底間的寄生電容與FET的源與漏間寄生電容相比應忽略不計。當器件外圍達到毫米級使總電阻較低時，要保證電壓的合理分壓，真正的絕緣襯底是必不可少的。 Ultra CMOS 開關插入損耗低，隔離度高。SP6T結構消除了雙工器，大大地減少了總插入損耗。為了滿足IEC1000-4-2ESD要求，天線處并聯一個27nH電感再串聯一個33pF電容已綽綽有余。這些元件也可集成在LTCC中，增加的插入損耗不到0.1dB。 GSM開關設計，特別是采用低壓工藝，最困難之處在于滿足線性度要求。上面已提及，只要將多個器件按需堆疊，就能實現任意高功率要求，然而在滿足規范的同時，還要優化器件堆結構以減少芯片尺寸。已設計了一個示范性開關，當電源電壓為2.4V時，其諧波功率對輸入功率的關系和壓縮性能示于圖3中。在最大工作功率+35dBm處，Ultra CMOS開關相對于GSM規范-30dBm要求還有6dB的余量。采用Ultra CMOS工藝，畸變對正、負電壓擺動是對稱的，因而從本質上二次諧波的畸變是很低的。考慮到GSM發射頻帶的二次諧波恰好落在DCS接收頻帶中，低偶次諧波畸變正是GSM系統需要的。 圖3、GSM線性度性能（a）輸出諧波功率對輸入功率關系；(b)壓縮性能 Ultra CMOS 的藍寶石襯底特別適合倒裝工藝。藍寶石屬于陶瓷類，其熱膨脹系數和LTCC十分匹配。藍寶石也是僅次于寶石最硬的襯底，能承受大的機械壓力。具備這些特性的開關極易倒裝在LTCC襯底上，消除了連線壓焊占用面積。真正晶圓級芯片規模封裝已在研發中，最終能生產出和標準表面貼裝元件一樣的開關。 小 結 Ultra CMOS 開關消除了譯碼器，隔直電容和雙工器。該工藝和芯片規模封裝技術相結合，能大大減少LTCC ASM的尺寸和厚度。高固有ESD承受能力和3控制線接口能簡化實施方案和使用。Ultra CMOS工藝的高成品率以及實現更多開關擲數的可擴展性，為下一代手機更高級集成提供了可依遁的路線圖。 |
