TI最近在2004年国际固态电路会议(ISSCC)上隆重介绍了其数字RF处理器(DRP),该DRP是TI计划于2005年下半年向无线手机供应商提供的“单片”解决方案的核心部件。
TI透露,他们正在对整合了DRP、基带处理器和一些电源管理功能的90nm芯片作测试工作。位于达拉斯的TI无线终端业务部门先进架构经理Bill Krenik表示,该芯片可使GSM/GPRS实现的PCB板空间和功耗都降低一半左右。而且,它只需要使用TI基本90nm逻辑工艺的掩模。只有高电压电池充电功能、功放和闪存还难以集成在片内。
“我们现在有很多GSM/GPRS测试硅片,从最初的情况看其发展前景非常好。”Krenik说,“虽然出现一些新的限制因素,但对于DRP方案的前途我们更有信心了。”
TI计划今年底向GSM市场推出样片,并于2005年下半年向市场推出商用化产品。此后,TI计划将DRP集成到WLAN芯片和高带宽蜂窝电话用的Edge芯片中。2006年,TI希望它的单芯片解决方案能打进CDMA市场。
CDMA是一种全双工的架构,要求使用低噪声放大器和压控振荡器(VCO),以便实现更佳的噪声抑制和“更严格”的性能,Krenik指出。换个角度看,数字RF解决方案也非常适合CDMA,因为更高的带宽能够放宽对芯片设计其它方面的要求。
“在对测试芯片的评估中,我们得到了足够真实的技术数据。从这些数据可以看出,数字RF解决方案进入CDMA领域毫无问题。”Krenik表示。
ISSCC论文并没有讨论蜂窝电话设计,而是着重描述了TI采用130nm工艺设计的单片蓝牙实现中的发送和接收功能。论文也描述了蜂窝电话DRP中使用的技术,例如作为蜂窝电话DRP关键部件的TI数字控制振荡器(DCO),Krenik介绍道。这种DCO可以代替传统RF器件中最难设计的VCO部件。
ALT="图1: 未来的手机芯片将集成DRP">
由于传统的VCO无法用数字方法实现,因此TI创建了数控振荡器。模拟功能用数字控制的开关变容二极管(Varactors)库来实现,这种开关变容二极管库要比目前的分立变容二极管具有更低的“噪声反馈”。变容二极管要求电容容量随电压作平滑稳定的变化。采用90nm数字CMOS工艺制作高质量的传统变容二极管意味着需要额外的掩模,Krenik指出。
ISSCC论文在讨论发射器时写道,通过切换和振动变容二极管库可以控制DCO频率。但当加上电压时,门控电容型变容二极管会突然改变容量,同时伴随不稳定的传递特性,从而会引起稳定性问题。
Krenik表示,TI工程师已经认识到解决方案就存在于门控电容型变容二极管的架构中,因为它同时具备高容量和低容量区域。在高电压情况下容量的改变几乎是平坦的,接近于零。但在传递曲线的中间某些位置容量会上升和下降。
设计小组为了解决这种问题,创建了具有所需噪声传递特性的变容二极管:耦合到变容二极管控制节点的噪声较低,并对地噪声和电源噪声具有一定的抗干扰性。
通过在低容量点和高容量点间进行快速切换,TI得到了被证明可抗噪声干扰的VCO储能电路电容的平均值,Krenik透露。
据Forward Concepts公司分析师Will Strauss透露,他曾在职业生涯的早期设计过板级无线电产品。“开关电容滤波器一直用了很长时间,但据我所知它们至今也没有被现代设计所采用。”Strauss指出,“在100KHz或更低频率的低频设计中,开关电容滤波器用得很多,但据信它们有某些上限频率的限制。另外,用90nm工艺制造它们的难度非常大,但TI似乎已经找到了一种解决办法。”
Krenik表示,其结果是TI发明了一种非常简单的发射器设计方法,它不仅消除了许多模拟、电压控制、相位检测和环路滤波等功能,而且还减少了PCB板上的外部分立和无源器件。
“在整个发射器中,唯一真正的模拟部分是数控振荡器本身。”Krenik说,“相位比较是数字化的,环路滤波也是数字化的,而且我们以数字方式插入调制功能,并通过数字控制功能控制VCO。只有少量的直流振荡器和非常少的缓冲放大器用来放大信号和驱动引脚,它们将连到功放器件。这是我们将非常复杂的模拟电路功能数字化的一个实用案例。”
数字化的最大好处在于,虽然分立RF芯片需要消耗80到90mA电流,但集成在单芯片中的DRP部分仅需消耗一半左右的电流。DRP约占用整个裸片面积的15%左右。
目前业界正在激烈争论的是基带和RF集成解决方案的商业意义。
Semico Research公司分析师Morry Marshall表示:“其他业界人士都对此表示怀疑。它的一个缺点是,如果性能要求有所改变,单片解决方案很难作出相应的改变。”
Forward Concepts公司的Strauss和Semico公司的Marshall也表示同意,他们认为:主要处理语音呼叫而不包括相机等功能的低成本GSM手机仍有巨大的市场。
但Krenik争辩道,TI的单片解决方案可以腾出更多的板上空间,并能降低功耗,因而能让手机制造商随时添加所需功能。而且随着工艺技术向65nm以下发展,数字RF处理器架构将支持进一步的集成度和成本下降。
“DRP比模拟无线器件更容易升级。”他表示,因为它不易受耦合噪声的影响,并能支持更小和更符合人体工程学的手机设计。
在“成本第一”的蜂窝电话产业,降低成本是集成化设计最大的优势,Krenik指出。
“如果TI能够做到更低的成本,那就棒极了。但我对此表示怀疑。”Marshall表示,“这种单芯片方案也许对单用作通话的手机很有用,但对于未来市场需求很大的多功能手机来说,可能不一定很适用。”
作者:来大伟
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