通信模拟与混合信号IC向“智能分区”方向发展

上网时间: 2004年01月01日? 作者:John Hussey? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:ADI? 模拟器件公司? 手机?

2004年,我们就可以看到采用EDGE手机标准的IC的大规模生产。而且我们也可以看到在基础设施及手持设备IC 的性价比方面有很大的改善,同时可能有价格更低的多载波基站的出现。而在这些市场背后的则是一些影响性能、集成以及成本的基础技术。

未来电信基础设施和手持设备IC 的设计者们要应对相互竞争的需求。客户想要低价格高性能的产品,但同时,在越来越小的面积实现模拟电路功能则变得越来越困难。所有这些发生在全球不同3G标准相互竞争的时代。

产业对此压力的反应是开发一种我们在模拟器件中称为“智能分区”的设计理念,这种理念可以将器件设计者与系统设计者的思维在新产品程序开发之初融合在一起。智能分区在以最低成本且不影响芯片制造商良品率、可靠性或入市时间的情况下,将整体系统性能最大化,从而在所需模块中分配数字和模拟功能。

智能分区可以带来新的设计突破,如新的直接转换技术消除了在无线信号和基带中过滤中频的需求。通过去除不易集成的带通声表面滤波器,基带信号处理器只需要采用易于集成的低通滤波器,这样将创造更简单更便宜的整体架构。

当我们展望2004年新景象时,智能分区技术随处可见。

手机模拟IC集成更多功能

在手机方面,模拟基带IC发展到可以容纳更多的功能,包括功率管理/电池充电以及包括铃声、数模转换、扬声器驱动器、免提语音操作和立体声回放等的先进音频功能。例如,模拟器件公司在SoftFone芯片组中增加以上的功能,其中也包括数字基带处理器。当然,无线收发器(也是模拟功能)必须可以为全球手机提供四频操作功能以及EDGE操作能力。如OthelloOneTV这样的收发器现在集成了VCO和电压调制器等以减少元件数量及物料清单成本。

在无线和模拟基带方面,需要作相应的改变以提供多模式操作(例如GSM/WCDMA)。我们认为多模式手机设计的最佳无线架构是直接转换,因为滤波是在基带上使用低通模拟和数字滤波器而非采用SAW滤波器在中频中完成的。

随着滤波器并入芯片中,这种设计允许对多种带宽的过滤,例如,对200-kHz GSM带宽系统,或5 MHz宽带CDMA的过滤。另外一种可替代的技术叫做近零中频,可以转换至近零点并可为如GSM之类的单模式的手机服务,但对多模式的手机就不适合了。直接转换的无线电将成为优先的结构,因为它为多模式手持操作提供了一种方法。

根本上来说,多模式手机将会成为趋势。对宽带CDMA或3G手机最大的挑战就是他们所使用的信号是早期电话带宽的25倍,而只能用更小的功率来处理这些信号。这个问题较难解决,预计明年仍不能克服,但随着时间和技术的发展,这个问题最终将得到解决。

基础设施器件更重注成本

当然,在手机市场不断成熟和竞争加剧的情况下,基础设施市场比5年前更加注重成本。性能仍是很重要,但今天价值受到更多的重视。业内仍有许多工作要做,不仅是提高基础设施器件的根本性能,而且是以既定价格造出最好的性能。

在以前,基站设计采用的结构中每一个RF载波都是独立处理的,而且每一个RF信号都要有相同的硬件。未来,实现同样的功能需要更少的载波数,同时覆盖范围将成为主要的目标。供应商将继续降低在此类结构中元件的成本,随着通话容量的增加,基站处理能力变得越来越重要,以及可以处理多载波甚至多标准的通过软件和固件处理最终配置的结构和产品将很有吸引力,因为每个RF的硬件成本降低了。这种灵活的方式对基础设施业非常重要,因为要想在基础设施产品上有好收成, 必须将这种产品在多个市场上出售,这与高容量手机的设计有点不同。

任何未来具有成本效益的多载波或多重标准的基础设施产品都要求配备性能优良的器件。为了达到这个目的,业界已经在生产各类不同的模数转换器ADC、融合RF器件和数字处理的DAC,可以让客户系统进行智能分区。例如,模拟器件的AD6650, AD6652, 及 AD6654混合信号前端(MxFE)除了在同一器件上集成了RF信号处理和某些数字信号处理功能外,还集成有ADC,这样可以进一步减低成本和提高垂直集成。这种垂直集成与用户将会采用的DSP、ASIC 或者FPGA等数字基带信号处理器配合得很好。

除了基础设施部分的智能分区外,业界还要应对的一个问题是,基站特别是在发送方动态范围管理的问题。

3G(CDMA2000 和 WCDMA)的直接向上转换、多载波和发送器现在已经可以应用于RF调制器IC,如AD8349。3G标准要求高线性调节器和高线性的大功率放大器。基站一半的成本可能是花在功率放大器上。设计者们正通过减少峰均功率比来减少成本,这个比率是CDMA信号的峰值系数。当用户将多载波合并在一起时,峰值系数将达到13 dB,为了处理这些峰值并且不引入失真,将导致放大器的成本大幅度增加。基带信号处理的运算法则尚在开发之中,以减少这些波形的峰值系数。

处理功率问题的另一个方法是开发预变形辅助器件,这也是降低功率放大器成本的另一种方式,如果你提前将信号变形以补偿功率放大器的非线性,那么可以采用一个便宜的放大器。

界面也是个大问题。在基础设施方面,有两种开放标准组:开放式基站结构(OBSAI)和普通公共无线界面(CPRI)。这两组由基站生产商组成,他们试图就如何与基带处理器对话及如何在基带和无线模块之间的界面设定标准。有大量的数据需要来回传送,特别是使用那些预变形程序的数据。高速序列数据界面非常重要,业界必须认真对待这个问题。

工艺:PA与收发器的集成加速

用CMOS生产模拟IC通常落后数字IC至少一代光刻的技术。例如,数字基带IC可以是用0.13u制程,而手机中的CMOS模拟/混合信号IC是0.18u 到0.25u。有些功能是在BiCMOS中实现,通常是在0.25u。虽然BiCMOS晶片的成本可能比在同一几何结构上的CMOS晶片的成本高一点,但由于增加了如电压调节器或振荡器等功能,使得用户的物料清单成本得以降低。现仍有许多注重性能的混合信号和无线电功能使用BiCMOS,而ADI 仍然好好地利用了其BiCMOS和补充双极来实现混合器和合成器的无线功能。

尽管早先业界认为模拟元件向更好几何构件发展困难重重,但0.18-u模拟IC正逐渐成为主流。在某种程度上,向更好几何构件发展能够减少设计者的顾虑。小尺寸可以减少焊线和导线上的寄生损失,因为主板在2 GHz频率上可以获得电感或电容特性。在CMOS工艺方面,甚至是在混合信号产品方面,0.18u已经成为一个重要的工艺。

在封装设计方面,芯片级封装现在非常普遍,除了功率放大器(PA)以外。因为对于PA,引脚框封装使得开发高水平融合更加困难。另外,模块封装的价格由于大批量生产下降很快,没有必要再采用引脚框封装。

大多数的PA是采用GaAs HBT(异质介面双极晶体管)技术生产的,这是个标准工艺,没有什么新闻价值。然而,业界有人仍在谈论CMOS PA 和 SiGe PA。尽管它们可以实现更好的集成与更低的成本,但多数业界人士还是认为要以降低性能为代价,ADI公司不愿意牺牲性能。

事实上,GaAs工艺的价格正在下跌。生产商曾经使用自己的晶圆厂生产,IP问题导致成本高昂。现在GaAs已经有纯粹的代工厂。曾经昂贵的内部工艺现在已开始向外界大量出片,而价格也在急剧下降。

而且,GaAs器件的整合进展得相当快。明年,前端模块,开关及双工滤波器将会整合到PA模块上。我们认为已到了收发器芯片和功率放大器模块成为一个完整的无线电的时代了。

作者:John Hussey


副总裁


模拟器件公司High-Speed Converter Group部门


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