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GSM手机前端中下一代CMOS开关设计(组图

来源:首页 | 时间:2019-05-26

  早期手机设计采用环行器在发射与接收间双工通信。然而,若想用上述设计来支持多个频带,就需要多个环行器。这类铁氧体基设计使手机既体积大又价格昂贵。并且在某些场合下,由于环行器带宽太窄,根本不能正常工作。其它可供选择的方案有高频开关和滤波器组。它们同样存在成本或体积的问题。

  GSM手机是在时间双工基础上工作的,自然前端最好采用只有开关的实施方案。这是因为双工滤波器的插入损耗比开关高得多,而且在目前,它还承受不了GSM的功率电平。GSM手机占有60%的手机销售份额,因此本文集中介绍GSM系统对开关的要求,并讨论各种固体开关技术。同时,其它标准的集成也值得一提,主要是GSM手机中UMTS(通用移动通信系统“下一代”全球通用手机)应用,它们需要使用附加的开关路径。

  GSM手机的功能已得到极大的扩展,为了覆盖整个地球可支持多达4个不同的工作频带(见表1),形成4个发射路径和4个接收路径。考虑到相邻TX频带十分接近,用一个功放覆盖GSM850和GSM;另一个功放覆盖DCS和PCS。每个RX路径各用一个滤波器,通常是SAW滤波器,这样总计需6个路径。这类结构通常采用SP6T(单刀6掷)开关。相比之下,最简单的GSM手机仅工作在单个频带,只需SP2T开关。

  由于开关功能处于手机的前端,它的插入损耗性能直接影响功放的有效PAE(功率放大效率)和系统NF(噪声值)。NF增加直接等于天线与LNA(低噪声放大器)间的插入损耗,而PAE降低则由下式给出:

  GSM功放工作在饱和方式,输出功率可达2W,PAE也很高,约为60%,由于手机的总消耗电流有一半来自功放,因此高效率对它的电池寿命是至关重要的。然而,高PAE又易受高插入损耗的不良前端体系结构的影响。例如,一个PAE为60%的放大器,基功放与天线dB,那么它的有效APE仅为42.5%。开关电路中的任何附加电流消耗将进一步降低有效PAE。

  众所周知,GSM手机的输出功率要求很高,达+33dBm±2dB,因而对前端的线性度也提出了极其苛刻的要求。线性度是利用谐波抑制来规定的,要求规定在12.75GHz的频率范围内,基波的所有谐波应抑制到低于-30dBm。

  为了保持低插入损耗,设计人员在设计时,未使用路径通常具有较高隔离度。但对3频带或4频带手机,由于GSM TX频带和GSM850 RX频带是重叠的,PCS TX频带和DCS RX 频带是重叠的,因此又会出现一个特殊的问题。在发射期间,RX带通滤波器并不能对通过开关漏入的发射信号提供任何衰减。要想保护跟随在RX滤波器之后的LNA,开关本身必须提供至少35dB的隔离度。

  GSM标准明文规定的还有开关时间要求。发射与接收之间的停留时间为28ms。当从RX开关至TX时,10mS内不能发送信号,以便完成开关动作。尽管有10mS时间,设计人员宁愿将开关时间设定在1-5mS之间,确保开关在TX发射前达到稳定状态。同时,一旦功放工作,开关还应符合谐波抑制要求。从TX到RX规定的开关时间是相同的。

  由于前端开关直接连接到天线,开关的又一个艰巨任务是要有强ESD承受能力。根据IEC1000-4-2规范,手机设计应能承受±16KV空气放电。这类ESD模型相当于330W电阻与150pF电容的串联,比人体模型更易损坏。开关本身要具有这个强度,否则,要另加保护元件。

  一旦上述技术要求都已圆满解决,前端开关解决方案还附加有尺寸和高度的约束条件。面积和高度两者都有严格的限制,其高度不得超过1.5mm。由于前端开关通过集成在多层衬底中(如LTCC低温共烧陶瓷),已建立的行业标准规格因子为减少体积提供了可依据的路线图。考虑到ASM(天线开关模块)是无线电部分最高的封装,因此可缩小ASM尺寸的种种技术备受手机生产厂商的青睐。LTCC具有在衬底中高品质因数无线集成的能力,但增加无源元件需附加的LTCC层,从而增加了模块的厚度。功放谐波滤波器可集成在衬底上,而频率隔直电容和ESD保护不得不放置在模块的外部。某些ASM在LTCC顶部集成有CMOS译码器以及SAW滤波器。

  符合GSM手机技术要求有多种开关技术,且各有各的优点和缺点,这些技术在下面详加讨论。

  上世纪七十年代,PIN二极管的出现标志固体开关行业的诞生。PIN二极管具有极低的插入损耗和谐波器畸变,仍然是ASM的主导技术。然而,PIN二极管存在着自身的缺陷,不能构成完整的ASM。为了偏置二极管,模块需设置隔直电容和供电电感。为了制作多刀开关,又需用四分之一波长的二极管串、并联组合(见图1a)。LTCC中,900MHz的四分之一波长相当于几个厘米,这些传输线增加了二极管基ASM的尺寸。

  GaAs pHEMT(准晶高电子迁移率晶体管)开关(见图1b)能减少ASM的体积并降低其复杂度,已成为除PIN二极管外又一种可行的替代品。采用GaAs开关,每条路径需用多个FET,还需一条控制线。此外,与PIN不同,pHEMT FET本质上承受不了17.8Vpk GSM信号。只有将多个FET串联在一起,将电压分散到每个器件,才能满足功率容量要求。并联FET能提高隔离度,增强抗扰度,当然控制信号数也要从6个翻番至12个。为了满足GSM的35dB隔离度要求,必须使用并联FET或级联开关。

  为了减少pHEMT ASM接口的复杂性,通常在ASM中备有一个CMOS 译码芯片。尽管能实现增强型和耗尽型两种器件的pHEMT工艺已在研发之中,但目前仍不能在pHEMT中制作互补器件,因此无法实现静态逻辑器件。附加CMOS芯片会增加面积和路由的复杂性。要想防止RF耦合至控制信号,布局设计时要谨慎行事。

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