早期手機(jī)設(shè)計(jì)采用環(huán)行器在發(fā)身與接收間雙工通信。然而，若想用上述設(shè)計(jì)來支持多個(gè)頻帶，就需要多個(gè)環(huán)行器。這類鐵氧體基設(shè)計(jì)使手機(jī)既體積大又價(jià)格昂貴。其它可供選擇的方案有高頻開關(guān)和濾波器組。...
早期手機(jī)設(shè)計(jì)采用環(huán)行器在發(fā)身與接收間雙工通信。然而，若想用上述設(shè)計(jì)來支持多個(gè)頻帶，就需要多個(gè)環(huán)行器。類鐵氧體基設(shè)計(jì)使手機(jī)既體積大又價(jià)格昂貴。并且在某些場(chǎng)合下，由于環(huán)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(guān)和濾波器組。它們同樣存在成本或體積的問題。
GSM手機(jī)在時(shí)間雙工基礎(chǔ)上工作的，自然前端最好采用只有開關(guān)的實(shí)施方案。這是因?yàn)殡p工濾波器的插入損耗比開關(guān)高得多，而且在目前，它還承受不了GSM的功率電平。GSM手機(jī)占有60%的手機(jī)銷售份額，因此本文集中介紹GSM系統(tǒng)對(duì)開關(guān)的要求，并討論各種固體開關(guān)技術(shù)。同時(shí)，其它標(biāo)準(zhǔn)的集成也值得一提，主要是GSM手機(jī)中UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)“下一代”全球通用手機(jī)）應(yīng)用，它們需要使用附加的開關(guān)路徑。
GSM前端難題
GSM手機(jī)的功能已得到極大的擴(kuò)展，為了覆蓋整個(gè)地球可支持多達(dá)4個(gè)不同的工作頻帶（見表1），形成4個(gè)發(fā)射路徑和4個(gè)接收路徑�？紤]到相鄰TX頻帶十分接近，用一個(gè)功放覆蓋GSM850和GSM；另一個(gè)功放覆蓋DCS和PCS。每個(gè)RX路徑各用一個(gè)濾波器，通常是SAW濾波器，這樣總計(jì)需6個(gè)路徑。這類結(jié)構(gòu)通常采用SP6T（單刀6擲）開關(guān)。相比之下，最簡(jiǎn)單的GSM手機(jī)僅工作在單個(gè)頻帶，只需SP2T開關(guān)。
由于開關(guān)功能處于手機(jī)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(tǒng)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(dá)2W，PAE也很高，約為60%，由于手機(jī)的總消耗電流有一半來自功放，因此高效率對(duì)它的電池壽命是至關(guān)重要的。然而，高PAE又易受高插入損耗的不良前端體系結(jié)構(gòu)的影響。例如，一個(gè)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(guān)電路中的任何附加電流消耗將進(jìn)一步降低有效PAE。
眾所周知，GSM手機(jī)的輸出功率要求很高，達(dá)+33dBm±2dB，因而對(duì)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(guī)定的，要求規(guī)定在12.75GHz的頻率范圍內(nèi)，基波的所有諧波應(yīng)抑制到低于-30dBm。
為了保持低插入損耗，設(shè)計(jì)員在設(shè)計(jì)時(shí)，未使用路徑通常具有較高隔離度。但對(duì)3頻帶或4頻帶手機(jī)，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(huì)出現(xiàn)一個(gè)特殊殊的問題。在發(fā)射期間，RX帶通濾波器并不能對(duì)通過開關(guān)漏入的發(fā)射信號(hào)提供任何衰減。要想保護(hù)跟隨在RX濾波器之后的LNA，開關(guān)本身必須提供至少35dB的隔離度。
GSM標(biāo)準(zhǔn)明文規(guī)定的還有開關(guān)時(shí)間要求。發(fā)射與接收之間的停留時(shí)間為28μs。當(dāng)從RX開關(guān)至TX時(shí)，10μS內(nèi)不能發(fā)送信號(hào)，以便完成開關(guān)動(dòng)作。盡管有10μS間時(shí)，設(shè)計(jì)人員寧愿將開關(guān)時(shí)間設(shè)定在1-5μS之間，確可開關(guān)在TX發(fā)射前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，一旦功放工作開關(guān)還應(yīng)符合諧波抑制要求。從TX到RX規(guī)定的開關(guān)時(shí)間是相同的。
由于前端開關(guān)直接連接到天線，開關(guān)的又一個(gè)艱巨任務(wù)是要有強(qiáng)ESD承受能力。根據(jù)IEC1000-4-2規(guī)范，手機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)能承受±16KV空氣放電。這類ESD模型相當(dāng)于330歐母電阻與150PF電容的串聯(lián)，比人體模型更易損壞。開關(guān)本身要具有這個(gè)強(qiáng)度，否則，要另加保護(hù)元件。
一旦上述技術(shù)要求都已圓滿解決，前端開關(guān)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(yán)格的限制，其高度不得超過1.5mm。由于前端開關(guān)通過集成在多層襯底中(如LTCC低溫共燒陶瓷)，已建立的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格因子為減少體積提供了可依據(jù)的路線圖。考慮到ASM（天線開關(guān)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(shù)備受手機(jī)生產(chǎn)廠商的青睞。LTCC具有在襯底中高品質(zhì)因數(shù)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(hù)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(jī)技術(shù)要求有多種開關(guān)技術(shù)，且各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這些技術(shù)在下一節(jié)詳加討論。
開關(guān)解決方案
上世紀(jì)七十年代，PIN二極管的出現(xiàn)標(biāo)志固體開關(guān)行業(yè)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(dǎo)技術(shù)。然而，PIN二極管存在著自身的缺陷，不能構(gòu)成完整的ASM。為了偏置二極管，模塊需設(shè)置隔直電容和供電電感。為了制作多刀開關(guān)，又需用四分之一波的二極管串、并聯(lián)組合（見圖1a）LTCC中，900MHz的四分之一波長(zhǎng)相當(dāng)于幾個(gè)厘米，這些傳輸線增加了二極管基ASM的尺寸。
GAAS PHEMT（準(zhǔn)晶高電子遷移率晶體管）開關(guān)（見圖1b）能減少ASM的體積并降低其復(fù)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(guān)，每條路徑需用多個(gè)FET，還需一條控制線。此外，與PIN不同，PHEMT FET本質(zhì)上承受不了17.8Vpk GSM信號(hào)。只有將多個(gè)FET串聯(lián)在一起，將電壓分散到每個(gè)器件，才能滿足功率容量要求。并聯(lián)FET能提高隔離度，增強(qiáng)抗擾度，當(dāng)然控制信號(hào)數(shù)也要從6個(gè)翻番至12個(gè)。為了滿足GSM的35dB隔離度要求，必須使用并聯(lián)FET或級(jí)聯(lián)開關(guān)。
為了減少PHEMT ASM接口的復(fù)雜性，通常在ASM中備有一個(gè)CMOS 譯碼芯片。盡管能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型和耗盡型兩種器件的PHEMT工藝已在研發(fā)之中，但目前仍不能在PHEMT中制作互補(bǔ)器件，因此無法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)邏輯器件。附加CMOS芯片會(huì)增加面積和路由的復(fù)雜性。要想防止RF耦合至控制信號(hào)，布局設(shè)計(jì)時(shí)要謹(jǐn)慎行事。
GAAS開關(guān)的ESD承受能力較低，通常為250~500V，需另加保護(hù)。正是這一要求與實(shí)現(xiàn)困難度兩方面因素，迫使很多設(shè)計(jì)人員放棄真正的SP6T開關(guān)，轉(zhuǎn)而改用2個(gè)SP3T和雙工器組合結(jié)構(gòu)。雙工器提供ESD保護(hù)，代價(jià)是設(shè)計(jì)中增加了0.4dB插入損耗。某些供應(yīng)商選擇另一種實(shí)施方案，即在單個(gè)IC中將SP4T和SP3T級(jí)聯(lián)起來。SP4T的輸出路由至RX端口，形成RX與TX兩個(gè)開關(guān)的串聯(lián)。這個(gè)方案在頻帶重疊區(qū)提供適當(dāng)?shù)母綦x來保護(hù)LNA，但同時(shí)也增加了插入損耗，從而增加噪聲值。
GAAS開關(guān)是用耗盡型FET制作的，其負(fù)VGS值應(yīng)低于截?cái)嚯妷�，將器件關(guān)閉。此外，要想和來自CMOS邏輯的正控制信號(hào)一起工作，F(xiàn)ET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(hào)來控制GAAS開關(guān)。隔直電容可集成在LTCC中，雖然它會(huì)增加面積和LTCC襯底的層數(shù)。
最近，RFCMOS異軍突起，并已進(jìn)入前端開關(guān)領(lǐng)域（見圖1c）。傳統(tǒng)上，RF CMOS僅適合低壓應(yīng)用，但器件和電路技術(shù)的突破，使RF CMOS開關(guān)完全能滿足GSM的各項(xiàng)要求。
Ultra CMOS技術(shù)
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(yīng)，造成種種弊端，多數(shù)專家認(rèn)為采用這種工藝不可能制作高功率高線性度開關(guān)。與體硅不同，采用SOI工藝制作的RF開關(guān)，可將多個(gè)FET串聯(lián)來對(duì)付高電壓，就象GAAS開關(guān)一樣。
SOI的一個(gè)特殊子集是藍(lán)寶石上硅工藝，在該行業(yè)中通常稱為Ultra CMOS。藍(lán)寶石本質(zhì)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(duì)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(jié)構(gòu)如圖2所示。晶體管采用介質(zhì)隔離來提高抗閂鎖能力和隔離度。為了達(dá)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(biāo)準(zhǔn)6寸工藝設(shè)備上生產(chǎn)的，8寸生產(chǎn)線亦已試制成功。示范成品率可與其它CMOS工藝相媲美。
盡管單個(gè)開關(guān)器件的BVDSS相對(duì)低些，但將多個(gè)FET串聯(lián)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，F(xiàn)ET至襯底間的寄生電容與FET的源與漏間寄生電容相比應(yīng)忽略不計(jì)。當(dāng)器件外圍達(dá)到毫米級(jí)使總電阻較低時(shí)，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(guān)插入損耗低，隔離度高。SP6T結(jié)構(gòu)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(lián)一個(gè)27nH電感再串聯(lián)一個(gè)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(guān)設(shè)計(jì)，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(gè)器件按需堆疊，就能實(shí)現(xiàn)任意高功率要求，然而在滿足規(guī)范的同時(shí)，還要優(yōu)化器件堆結(jié)構(gòu)以減少芯片尺寸。已設(shè)計(jì)了一個(gè)示范性開關(guān)，當(dāng)電源電壓為2.4V時(shí)，其諧波功率對(duì)輸入功率的關(guān)系和壓縮性能示于圖3中。在最大工作功率+35dBm處，Ultra CMOS開關(guān)相對(duì)于GSM規(guī)范-30dBm要求還有6dB的余量。采用Ultra CMOS工藝，畸變對(duì)正、負(fù)電壓擺動(dòng)是對(duì)稱的，因而從本質(zhì)上二次諧波的畸變是很低的�？紤]到GSM發(fā)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(tǒng)需要的。
Ultra CMOS 的藍(lán)寶石襯底特別適合倒裝工藝。藍(lán)寶石屬于陶瓷類，其熱膨脹系數(shù)和LTCC十分匹配。藍(lán)寶石也是僅次于寶石最硬的襯底，能承受大的機(jī)械壓力。具備這些特性的開關(guān)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(jí)芯片規(guī)模封裝已在研發(fā)中，最終能生產(chǎn)出和標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝元件一樣的開關(guān)。
小結(jié)
Ultra CMOS 開關(guān)消除了譯碼器，隔直電容和雙工器。該工藝和芯片規(guī)模封裝技術(shù)相結(jié)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(jiǎn)化實(shí)施方案和使用。Ultra CMOS工藝的高成品率以及實(shí)現(xiàn)更多開關(guān)擲數(shù)的可擴(kuò)展性，為下一代手機(jī)更高級(jí)集成提供了可依遁的路線圖。
表1、全球化GSM頻帶原文Table 1
圖1、SP2T開關(guān)結(jié)構(gòu)：（a）PIN二極管； (b)GaAs IC； (c)RF CMOS IC
圖2、Ultra CMOS 器件結(jié)構(gòu)圖。
圖3、GSM線性度性能（a）輸出諧波功率對(duì)輸入功率關(guān)系；(b)壓縮性能
表1、全球GSM頻帶
