半导体制造商已做好建立一个纯CMOS射频电路乌托邦的准备
作者:Patrick Mannion
现在正是射频技术发展过程中最具创新精神的时代。从无绳电话到无线局域网和3G手机,从超宽带(UWB)到软件无线电,无所不在的无线连接技术正改变着人们的商业模式和生活。
这种趋势也反映在多种射频技术的集成上,比如TI的Wanda PDA理念设计就集成了蓝牙、GSM和Wi-Fi技术。另外,TI还大肆宣扬将在2004年推出单芯片的GSM方案,而摩托罗拉等公司也紧接着陆续宣布了类似的计划。目前,2.5G技术正日新月异,EDGE希望能在将来的广域无线技术领域中确保其地位,而3G则似乎还很遥远。
随着Broadcom公司发布最新的单芯片802.11b方案,单芯片上Wi-Fi芯片方案将越来越多,而超宽带也将在4年之内成为短距通信技术的备选方案之一。技术的迅速发展也加快了已往迟缓、含糊和复杂的IEEE标准制定过程,并吸引了投资者和开发商的注意,因为他们也希望能够预见到有关WLAN、UWB和固定无线技术的细微变换。
那么,这些创新又将会给半导体带来什么样的影响呢？也许有人会认为,无线半导体的未来以及通往连接性乌托邦之路,都依赖于带有灵活射频前端的全CMOS射频电路、以及基于全新工艺架构的软件无线电基带。这种想法把复杂问题简单化了。更准确的说法应该是,无线半导体的未来在于工艺、工具、设备、元件、架构、软件以及整体系统的持续优化,以满足下一代产品无线设备对功率、成本、性能、大小、数据处理和上市时间的要求。换句话说,就像轮胎要适应道路一样,无线的电子设计也必须符合实际应用的需要。
集成应用的增加,如视频流、MP3音频、数码相机、彩色显示器和三维图形加速等,迫使工程师必须迅速扩展和更新他们的设计能力。
为了保持竞争力和满足上诉要求,开发商正在研究各种新的技术,比如用于抑制晶体管漏电流的体偏置技术、使用采样数据转换器(带有开关电容式滤波器)的数字射频结构、针对高效率放大器的峰均功率比(PAPR)缩减技术、以及使用动态频率、功率调整和智能电路开断的电源管理技术。
与硬件和软件之间的联系一样,硬件模块之间的联系已经成为研究的重点区域。同时,争论的焦点变为是CMOS还是III-V族抑或是两者的混合是达到低成本和提高集成度的最好途径。随着CMOS应用巨头Intel进入无线领域和TI、摩托罗拉、Philips、意法微电子、ADI和Silicon Labs分庭抗争,近日这种争论达到白热化程度。在90纳米工艺上,Intel和TI具备集成能力,它们都相信这种能力可以给所有有竞争力CMOS RF器件的降低成本、降低处理功耗。
功耗降低
虽然隐约可见的半导体进步很多也很广泛,但是几乎所有的进步都在某种程度上涉及到了功耗减小,这必须感谢移动设备令人头痛的功率限制问题。基带和应用处理向90纳米演进已经在许多方面降低了功耗。不过,细导线宽度也同样提高了晶体管泄露电流的水平,如果要想发挥更精细工艺的优势,则必须解决这一问题。
“我们正在处理物理学问题,”TI的先进无线架构经理Bill Krenik称,“如果简单的抑制器件并调整工艺以使泄露电流保持以前的水平,那么我们即使采用了更精细的工艺也无法有效提高晶体管的运行速度。”
与此不同,Krenik和他的小组以及业界的其它人正在探索一种称为体偏置(body biasing,或者N-well偏置)的技术,通过使用一个外加电压,它可以调整MOS栅极通道的衬底导电率。通过改变电压--将PFET的电压调整高于Vdd,将NFET电压调整低于地-则可以降低泄露电流。
“这在许多论文和文章中都提及了,”Krenik称,“同时这种方法包含了一组变化的电压,因此它会带来一些额外开销,但是并不会造成太多的功率损失。”根据Krenik的说法,泄露电流在亚微米工艺中是如此之高,以至于实现该技术所带来的额外开销都变得可以接受了。“额外开销并不是我们乐于有的,”Krenik称,“但是我们不得不这样做。”
但是,摩托罗拉无线、移动系统和先进技术部门的副总经理兼总监Ken Hansen认为,在90纳米以下工艺节点,体偏置技术的价值值得怀疑。“在90纳米的时候,我们还可以接受使用N-Well偏置组合来控制泄露电流以关断晶体管,但是在65纳米时,一个芯片上的晶体管数目将增加一倍。”
这样,虽然偏置方法在某种程度上仍然起作用,但是Hansen相信,如果要将器件电压降低同时降低泄露电流,此时唯一的解决办法就只能是绝缘硅(SOI)。尽管绝缘硅成本高,并且还有器件重新设定属性问题以及其他更多复杂问题,但Hansen仍然相信,绝缘体硅将“是一个‘在65纳米时代’相当普遍的技术。”
RF将变成整个系统中越来越小的部分
从RF方面来看,在过去的4到5年间,除了CDMA射频方面,从超外差到零中频或低中频结构的大规模演进已经接近完成。根据Krenik的说法,下一步就是通过使用一个数字射频前端来降低成本、功耗和电路板的面积,该数字射频前端基于具有开关电容滤波器的抽样数据变换器。这样可以直接将RF信号数字化,去除RF和基带间所要求的模拟和混合信号电路。Krenik表示,这种方式既利用了高开关速度的好处,也利用了最先进CMOS工艺的低寄生效应特点。
抽样数据结构所依据的事实是,对于输入的每次抽样都将执行外差函数(转换到基带),“于是抽样操作就固有了频率变换功能,”Krenik称,“同样,系统不停的抽样再抽样,增加了信号强度,于是就带来了隐含的增益功能。”最终,Krenik指出,由于该转换器是在电容器上采样,因此操作一个开关电容滤波器就可以获得选择性。“这样,一个非常细小简洁的电路就给我们带来了三样东西:频率变换、放大和选择性。”
摩托罗拉的Hansen对于这个方法特别激动。“我们离不开采样数据系统,这是对打破更高集成度限制的最重要技术。现在我们还不知道该怎样做,但是每个人都在为之奋斗。”虽然TI公司已经在其BRF6100蓝牙射频上实现了该技术,并正继续在GSM上采用,但是ADI市场总监Doug Grant仍然认为将来还有许多问题会出现,尤其是关于动态范围的问题,以及与高频信号抽样定时有关的差错问题。
对功率的讨论都离不开无线系统中功率放大器以及大功率元件。对于如基于正交频分多路复用(OFDM)技术的多载波系统,由于高PAPR的原因,这个问题更突出。高PAPR需要平均功率的补偿,因此将限制PA的效率。解决PAPR低效率问题是IceFyre Semiconductor的目标。得益于新颖的前级和后级PA信号处理技术,它在多载波系统中使用了开关模式PA,其比标准的线性PA有25%到30%的效率提高。“每家大公司都希望能实现这一点,如果你做到了,那么你就找到了一棵摇钱树。”IceFyre的董事长Dan Mathers强调,“只有IceFyre已经解决了这个问题并在晶片上获得证实。”
当模拟和射频设计师们正努力地从他们的前端节省每一分钱和每一个dB的时候,事实上他们使收益递减曲线迅速下滑。造成了上述差别的原因是完整系统划分与软件的结合--也正是这个原因使某些供应商能够提供最好的部件,而某些供应商只能提供解决方案。“影响电流消耗的最大单个因素就是为硬件编写的软件,”摩托罗拉的Hansen称,“通过优化软件,你可以把功耗降低50%,我们已经证明了这一点。”除此之外,他也表示下一个最大的改善就应该是更高的集成度。“去掉基带和内存之间的高速接口。”他指出,应力争采用驱动电容较少的栈式存储器结构。
将转换器外置
为便于集成,业界乐于采用数字I/F接口,这种接口可以将模数和数模转换器置于RF前端模块的外面。这可以允许基带更快地迁移到更精细的CMOS几何尺寸,而无需担心衬底噪声问题。“这是一个非常重要的趋势。”Silicon Labs的无线业务总经理兼副董事长Ed Healy称。
不过,随着向单片CMOS射频迁移,衬底噪声就变成了一个主要障碍,尤其是由于运行于任何时刻任何器件的多种可能应用造成的不可预知的数字噪声。这个原因促使诸如SkyWorks这样的公司提倡使用多芯片模块。其它公司例如飞利浦半导体则采用了基于平台的设计,该设计具有功能优化的过程选择,而不是完全CMOS技术。
无论使用怎样的划分和工艺技术,无线设备的RF部分--曾经是无线设备最关键的模块--随着重点和成本计算从RF和基带向信号链高端的应用和媒介处理器转移,如今已经变得廉价。“这就是无线的未来,”飞利浦通讯部门的副董事长Mario Rivas称,“RF将成为整个系统中一个越来越小的部分。虽然它仍然很重要,但是其它模块将变得越来越重要,并且将添加新业务。”
对某些人而言RF设计工具是瓶颈,而对另外一些人而言则是机遇
作者:Patrick Mannion
随着单芯片上的多个射频部件工作在更高频率以及附加更多的数字电路,RF CMOS集成度也呈指数递增,不过可以完成精确模拟的仪器的发展就越发显得滞后。就设计方面而言,这种情况对于更高集成度而言是一个瓶颈。然而对于这些工具而言,它则意味着未来的头等大事。
按照Silicon Labs的无线业务副总裁兼总经理Ed Healy的说法,这是世人皆知的是秘密。“通常对于模拟设计,其设计工具并不是同数字设计的一样复杂。”其结果就是,RF成为一项手工设计工作。Healy同样对电磁3D型仿真工具的匮乏表示遗憾。“有一些这样的产品,但是它们很难满足所有的射频频段的需求并且不能进行完全仿真。”问题是缺少会聚性,仿真通常会在中间中断。Healy称,缺少合适的工具导致一个部件的RF前端会经历好几次修改。
IceFyre Semiconductor的总裁Dan Mathers同意Healy的判断。“这是一个很大的待开发领域,还需要做很多工作。”Mathers称。大多数从事射频工作的公司都有大型建模小组以负责模拟晶体管。每家公司都是这样做的。如果有人能解决这个问题,那么将对整个行业带来巨大效益。根据Mathers的说法,Agilent的ADS封装代表了RF设计工具的最高水平,“但是它仍依赖于来自代工厂的基础晶体管模型。”Healy进一步强调,“Cadence和Agilent的工具并不能满足我们的真正需求,但是作为第一步来说也很不错。很明显,对于能解决这一点的人来说这是个很好的商机。”
从Agilent的观点来看,目前的集成水平引发了能力问题。“设计需求要凌驾于PC以及计算和仿真/分析综合的性能改善之上,”Agilent的器件模型方案部的产品规划经理John Moore称,“其复杂性令人震惊。”
如同Moore所理解的,该问题来源于集成和更高的工作频率。“这也是导致复杂性的根源。一个典型的无线射频设备或许有1,000个非线性器件(二极管、晶体管)。这点还可以应付,不过当再增加附加功能,又增加10,000到15,000个线性部件到你的门级网表时,这时它就超出了当前模拟技术所能解决问题的能力范围。10年以前,主要的问题是寄生效应模型不准确,现在的主要问题则是如何对具有数字和RF电路的同一芯片的衬底串扰进行建模。”
像SkyWorks这样的公司就选择了多芯片模型。“人们将在成熟和廉价的应用上采用SOI,但是对于不太成熟的应用以及更高的性能,人们也许会更多的采用上述模型。”Moore称。SkyWorks的射频系统副总经理Mohy Abdelgany指出:“当涉及到更高集成度时,它就成为了我们所面临的最大挑战。”
为了解决仿真的问题,Agilent正在提倡使用行为模型,该模型将约束从复杂的器件建模提升到了元器件建模。这就转移了问题的重点,Moore称:“这样问题就变成了集成元器件了,所以现在你需要如何更好地连接你的模型。这是建模的下一个阶段。”
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