TI专家谈先进无线手机的集成策略

上网时间: 2003年05月26日? 作者:Bill Krenik? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:TI? 先进无线手机? 集成策略?

引言

半导体技术调研公司Allied Business Intelligence Inc 在最近公布的研究报告中称:先进功能与相关服务可推动手机市场增长,ABI表示无线用户正在转向具有彩屏、先进的数据与短信应用等功能更丰富的设备。这些先进的应用包括导航、游戏、多媒体短信、即时信息,以及其它一些功能。该市场正在由初步普及阶段进入创新,或者向下一代产品升级的阶段。

因此,为了满足消费者对于具有先进功能的新型手机的需求,向手机制造商提供IC的供应商,必须增强产品的功能,同时保持产品的漂亮外观,以及尽可能长的电池寿命。可以说IC供应商之间的竞争已经在芯片集成上展开,如何设计出用户要求的集多种功能为一身的手机IC?该采取什么样的集成策略,也许TI的专家可以给我们答案。

前言

在过去的十年间,随着半导体工业的发展、半导体器件集成度的不断提高,手机设计工程师可以不断在小巧、时髦、低成本的无线手机上集成越来越多的强大功能。一般来说,集成策略要与IC技术紧密配合,以适应特别的功能组合。高性能BiCMOS、硅锗(Silicon-Germanium)或者砷化镓(Gallium-Arsenide)一直是无线应用中的标准技术。具有优良模拟特性的高压晶圆工艺也已应用于模拟和电源管理领域,而密集逻辑和专用存储器技术则一直应用于数据处理领域。

直到上个世纪九十年代以前,这种基于技术的策略还很适合无线设计工程师的要求,当时绝大多数手机只能单频带工作,典型的工作频率为800-900 MHz,某些具有模拟(AMPS)和数字调制功能。到上个世纪末,双频手机变得越来越普遍常见,至少支持多重接入技术的多模手机登上舞台。今天,蓝牙、GPS、WLAN和多模无线电子设备的集成初露端倪。由于所需支持空中接口数目和复杂性急剧增加,这些技术应用对高性能数据处理提出了新的要求。

随着无线手机向多媒体通信发展,基于这些半导体技术的集成策略还将继续有效吗?在开发具有不同功能特性组合的多样化产品时,OEM厂商还将沿用这种策略吗?一种基于技术的策略能够将我们带入真正系统级芯片无线手机时代吗?本文研究了这些问题,也探讨了基于技术集成的局限性,并讨论了一种当今可用的替代策略方案:基于功能的集成方案。

基于技术的集成方案

今天的无线手机必须包括高性能无线收发电路,以处理从800MHz的GSM频段、ISM蓝牙频段到2.4GHz的WLAN频段的信号。手机中电源管理电路必须能够承受最高达几倍电池电压的高电压,以防止电池在充电过程被击穿,还需要模拟电路来提供高质量的语音信道和对无线收发信号进行A/D和D/A转换。同时,也需要很高性能的逻辑电路和高密度存储器,以处理基带信号、执行协议并处理游戏、视频、音乐和定位服务等用户应用程序。

TI专家谈先进无线手机的集成策略_ESMCOL_1

从晶圆工艺的方面考虑,似乎下一个最直接的步骤是简单地将具有相似晶圆工艺技术的所有器件集成为通用的集成电路。很明显,将会有一个采用硅锗工艺的无线接口集成电路,它提供多频带、多模式无线支持;会有一个采用模拟CMOS工艺的模拟/电源管理集成电路,将可为整个系统提供模拟和电源管理方面的支持;还有一个大型逻辑功能它提供处理器、逻辑或存储器以满足全系统的需求。

这是无线手机设计师和芯片制造商过去所遵循的路线。但是这一路线难以避免其固有的限制,这些局限可能并不适合未来的发展。首先,它需要集成电路之间具有大量的接口,以容纳信号路由。另外,由于收发器、模拟、电源管理和逻辑分别隔离为不同的IC,无法通过将逻辑处理单元接近收发前端的手段,来降低功耗或者减少外部无源器件数目。

对于OEM来说,这种方案缺乏灵活性可能是一个重大缺限。例如,由于集成所有的收发器取决于晶圆技术,这意味着实际上,每个手机都只能有固定的功能。为了生产只具备有限功能的低档手机,例如一个可能只有GSM和蓝牙,但没有WLAN功能的手机,或许会要求器件具有旁路收发器。虽然新兴技术要求OEM增加收发器以保持竞争力,但这造成了更大的缺点。在很多情况下,这可能不仅要集成无线IC,而且要对整个系统进行重新设计。

这种策略本身固有的最大缺点可能无可避免地使集成走向绝境。随着系统级芯片技术的演进,不兼容的晶圆技术完全不允许进行进一步集成。当从一种晶圆技术转向另一种时,需要进行大量的系统检查,以确保收发器、逻辑、存储器、模拟和电源管理及数据处理功能都能集成到同一片器件之上。

要克服这些局限性则需要一种与过去完全不同的全新集成策略,很多半导体设计师仍在摸索之中。而最有前景的方案是基于功能的集成方案

基于功能的集成方案

简单地说,这种策略是在CMOS硅片上集成一个特定功能所需的全部操作。例如,一个完全的四频带GPRS收发器包括所有基带模拟和射频功能,可能集成到一块单芯片之上。GSM模块包括所有的收发器、逻辑、A/D和D/A转换器以及GSM工作所需的其它电路。同样,蓝牙、WLAN和GPS也功能由它们各自的单芯片来完成。

这种集成方式具有很明显的优点。首先,它克服了基于技术策略固有的接口复杂性和电源管理问题。每个集成电路之中,逻辑和收发功能都紧密联系,以便数字处理的优势可以应用于收发器,还可以降低功耗、减少芯片面积。所有有关信号处理链的信号接口都包括在每个集成电路之中。集成电路的管脚数会更合理,敏感的外部节点数会更少。

既然所有功能都全部集成到一个单片IC之中,产品就可以实现模块化。可以实现大量的手机配置,而免除了不必要的成本和不需要的功能。每个设计中只包括必要的功能。

最后,集成的下一步,即将不同功能的IC整合进完整的系统IC之中,随着大批量市场的出现,这将成为一种很普通的方案。一旦在CMOS中集成功能电路实用化,就不需要其它新的基础技术。

功能集成的实例:蓝牙系统级芯片

给手机集成普通功能的主要担心是要面临开发一种晶圆工艺技术和这种高集成度技术所需的高性价比电路技术带来的挑战。晶圆刻线数必须非常接近基线逻辑CMOS,以避免过高的晶圆成本。与此同时,电路技术必须利用CMOS逻辑能力以降低模拟和射频性能要求。由于必须详细研究数百个收发器性能,这种挑战决不可小觑。

不过,最近在电路设计方面的创新、130纳米晶圆工艺和系统结构方面的进展都可能使这种集成成为可能。图2为一种蓝牙器件BRF6100。请注意这种器件只包括16个外部器件。完全的参考设计只占1平方厘米的电路板面积。功耗、性能和成本等方面都优于当今市场上的多集成电路实现方案。这种策略也对未来更高集成度和真正系统级芯片的方案提供了明确的路线。

TI专家谈先进无线手机的集成策略_ESMCOL_2

本文小结

众多数目的复杂无线接口、晶圆工艺技术和先进应用处理都使先进无线手机的集成成为一个巨大的挑战。但是新的晶圆处理和设计技术,使模拟和收发电路可以集成到CMOS之中,同时具有数据处理功能。这些技术使基于功能的集成策略成为可能,克服了基于技术策略的固有缺点。

随着基于功能的集成的演进,多种具有不同种类无线接口的组合和用户功能的手机将很快面市。从那时起,随着电子线路集成度的不断提高,主流技术将是在单片硅IC上将所有功能组合进一步集成。

Bill Krenik

无线高级架构经理

德州仪器


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