CMOS技术缓解了RF电路在SoC中的集成挑战

随着半导体制造能力允许在单块芯片上集成数千门逻辑电路，系统级芯片(SoC)开始占据未来IC技术的中心。不过，当今天人们在谈论SoC时，他们实际谈论的只是部分系统——仅是把数字基带与数据转换器、一些高速模拟IO、甚至一些射频电路集成在一起，只要它不会太复杂。

由于工艺技术的不兼容性，RF集成通常被认为是一种基本上尚未解决的SoC挑战。在数字裸片上集成RF电路会限制良品率或导致高昂的测试成本，从而极大地增加生产成本。

但问题比这更复杂和微妙。从SoC系统层面上来看，RF集成将给硬件器件的电路设计、物理实现及制造与测试带来一些困难的开发挑战。

现在，RF芯片设计者有了另一种选择。CMOS制造工艺技术的最新发展克服了RF集成障碍，使开发者可以将RF处理移到数字域中。芯片设计者不必费劲去设计和实现模拟器件，相反，他们可以采用数字RF技术，并利用熟悉的工具和工艺来处理RF信号。

不可能只集成一种无线电

为了适应手机或PDA的小外形尺寸，这要求在一块芯片上同时集成数字、模拟及RF，否则成本与外形尺寸限制将阻碍手机配置新的功能。集成的无线电只有传统无线电一半的硅面积，占有一半的板空间，消耗大约一半的功率。因此，无线电集成在满足手机设计目标方面提供了极大的优势。

图1：跟踪每个工艺节点的截止频率可以评估哪些通信频段能够在数字域中进行处理。

让我们来看看3G手机的数据处理要求。在数字域，用户希望拥有更高分辨率的彩屏显示器、需要额外存储器与图形资源的游戏、PDA应用功能以及诸如照相、视频会议及音频播放等多媒体功能。在RF方面，一部手机集成好几种无线电并非是不合理的，它们包括：

* 很多GSM手机都支持全部四个频段——欧洲的蜂窝与DCS以及美国的不同蜂窝频率与PCS
* 2.1 GHz的UMTS
* 用于定位与同步的GPS
* 用于PAN连接的蓝牙
* 用于网络连接的WiFi，如果是2.4 GHz 802.11b/g，则可共用蓝牙无线电
* 数字电视(DTV)
* 数字音频广播与调频广播等

今天，板上的RF器件数已超过总器件数的一半，而且一种简单的无线电就要占去手机印制电路板(PCB)40%的面积。如果靠增加无线电来支持蓝牙、GPS及WLAN等功能，那么会显著增大这些数字。尽管无线电能共用一些电路，但如果它们想要装入一部设备中，则必须比它们今天的尺寸小。

存在的问题

集成数字、模拟及RF电路所遭遇的实际问题向那些对整体硅集成充满热情的人泼了一盆冷水。对于在SoC上集成复杂RF电路的设计来说，可用的EDA开发工具仍存在许多有待改进之处。

用于同时验证数字与RF电路的工具仍处于发展的初期阶段，更谈不上同时对设计进行验证与测试。其他局限还包括小器件的不良匹配、高1/f噪声、以及缺少带足够模拟特征的片上无源器件(电阻、电容及变容二极管)等。

尽管存在这些挑战，集成仍然是使智能电话降低无线电设计的成本、功耗及复杂性的基本手段。为了使无线电集成成为现实，业界要求在晶圆工艺、系统设计及电路设计层面上有显著的技术进步。尽管采用SoC的设计者并不关心许多SoC技术挑战，但了解这些挑战也很重要，因为它们决定了实际器件的能力与局限。例如，尽管使用双极或BiCMOS工艺集成RF在技术上是可行的，但测试器件时的良率限制及高昂成本使得这些器件未必能实现大批量或商业生产。

集成硅锗(SiGe) BiCMOS技术也是可能的做法。但硅锗技术一般比先进的数字CMOS工艺落后1个或2个工艺节点。由于手机需要越来越多的处理资源，硅锗工艺无法使数字部分(特别是存储器)的裸片成本保持最低。

即使CMOS RF集成也有它的挑战。模拟混频器、滤波器及放大器等的实现都很困难，尤其随着电压下降，新工艺节点早期的器件建模一般都不足以达到模拟模块设计所需的高精度参数建模。业界要求有重大的设计创新，从而允许无线电被集成在标准的CMOS中，并充分利用CMOS技术的优势。

数字RF集成解决RF集成问题的一种不同方法是完全避免它们，这可通过将RF器件的功能转换到数字域来实现。

通过在CMOS数字域处理RF信号，就没有必要使用复杂且昂贵的模拟掩模。芯片设计也变得更加容易，因为开发者在仿真时可以更容易了解系统细节，并能通过整合可编程软硬件元素来执行处理，从而增强对信号处理过程的控制。

例如，从电源耦合到发射与接收压控振荡器(VCO)上的噪声会影响整体系统效率。因此，大多数无线电路板设计都要求使用调节器及相关无源器件来解决此问题。将这些器件集成在无线电收发器中，意味着简单的去耦电容是所需的、要求与电池直接相连的唯一外部元件，从而可简化设计并节省板空间。

设计者还可选择将数字调谐及自校准功能集成到VCO中，并通过集成环路滤波器来扩大VCO的调谐范围。

为使数字电路能处理模拟信号，它们必须工作在极高的速度。器件截止频率(Ft)是一种用来评价工艺处理RF信号能力的简单方法(参见图1)。