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低頻和高頻RF無線系統之間的集成差異
低頻和高頻RF無線系統的集成是完全不同的。 在高頻段,由於CMOS技術可以實現比雙極技術更高的帶寬,因此它是RF電路的首選技術。 通常,RF-CMOS和數字CMOS不集成在同一芯片上。 低頻帶中最重要的系統是蜂窩通信系統。 此類系統的RF功能集成的重點是無源組件的集成。 本文介紹了一種通過多個封裝或模塊集成無源組件和RF有源組件的策略。
射頻功能在通信系統中信息的兩點傳輸中起著重要作用。 在這種類型的系統中,RF功能通常在物理上與其他功能分離,並且RF發送和接收通常由不同的IC來實現。 為了減小系統尺寸和成本,人們繼續探索將RF與系統其他功能集成的方法。 其中,DSP技術的發展產生了非常重要的影響。 除了RF和非RF集成的這種發展趨勢之外,RF設備本身還有其他集成發展趨勢。 這些不同的發展趨勢是因為不同的系統需要不同的技術來實現所需的RF功能。 例如,某些系統在將接收到的信號傳遞到低噪聲放大器(LNA)之前,需要對信號進行有效的濾波。 這需要使用陶瓷濾波器或表面聲波(SAW)濾波器來過濾接收到的信號,但是這些濾波器均不能集成到接收器IC中。
低頻和高頻系統之間的區別
低頻系統與高頻系統之間的重要區別在於,後者只能在發射器與接收器之間沒有障礙的情況下實現信號傳輸,而低頻系統沒有這種要求,因此它們可以實現更大的覆蓋面積。 低頻與高頻之間沒有明顯的分界點,其過渡頻率在2-5GHz之間,並取決於系統特性,例如發射機輸出功率和接收機靈敏度。 本文使用2.4GHz作為高頻和低頻的轉換點。 高頻系統也可以分為長距離系統和短距離系統。 諸如雷達,衛星鏈路,基站鏈路,固定無線寬帶接入(FWBA)等長距離系統,與短距離系統(例如藍牙和802.11a / b)相比,這些系統需要更高的傳輸功率。
高頻射頻集成
短距離無線通信系統的目標市場是消費電子市場,這需要小尺寸和低成本,並且隨著通過數據傳輸視頻流的應用需求的增長,數據傳輸速率將繼續增加。 這些系統基本上是便攜式電池供電的產品,需要較長的待機和通話時間。
由於在高頻段工作的發射機較少,因此高頻系統(2.4 GHz以上)可以實現高帶寬和適中的接收機選擇特性。 同樣,接收器的信噪比(S / N)高,因此發送器的輸出功率可能會更低。 例如,802.11b在11 GHz時的帶寬為2.4 Mbps,而802.11a在54 GHz時的帶寬可高達5 Mbps。 使用更寬的頻帶或更複雜的調製方法需要更嚴格的信號線性度,並且線性度與發射器密切相關。
圖1顯示了可以通過CMOS和BiCOS實現的工作頻率發展的比較
系統採用的處理技術與可達到的工作頻率有關。 圖1顯示了CMOS和BiCOS可獲得的工作頻率發展的比較。 假設fmax與可用工作頻率直接相關,很顯然CMOS是更好的選擇。 另外,CMOS可以滿足非嚴格的選擇性,信噪比和輸出功率要求,但由於工作電壓低,動態性能會降低。 但是,由於許多系統工作在開放頻帶上,因此在發射機和接收機之間可能存在許多相互干擾的發射設備。 例如,作為典型示例,微波爐會干擾藍牙通信。
儘管CMOS在高頻下具有這些優勢,但是BiCMOS技術具有雙極技術RF模型,晶體管參數匹配的優勢,並且BiCMOS設計經驗更加豐富。 尺寸不是選擇工藝的主要考慮因素,因為0.18um CMOS或BiCMOS工藝具有相似的芯片尺寸來實現藍牙收發器功能。
如果選擇CMOS技術,則標準數字CMOS將成為發展趨勢。 由於這些數字CMOS已經採用了多層掩模工藝,因此將沒有其他選擇。 數字功能將佔據最大的芯片面積,因此主要成本將由這些數字功能產生。
使用主流CMOS技術在單個芯片上集成數字電路和RF功能是否有意義? 需要從兩個方面考慮該問題:從技術角度來看,可以使用經過改進以實現RF功能的標準CMOS,例如高阻抗襯底以減少通過襯底的串擾,以及使用厚電介質實現高質量無源元件的因素等; 從集成的角度來看,將標準CMOS應用於射頻並在芯片上集成數字和RF功能並沒有很多好處,因為數字和RF模型和庫在根本上是不同的。 數字電路通常以VHDL / Verilog語言設計。 CMOS技術的數字庫通常是在新技術出現之前實現的。 這些數字圖書館世代相傳,因此設計工程師可以在發布下一代流程之前進行數字設計。
對於RF設計,只有在過程出現後才可以使用模型和庫,因此RF設備具有其獨特的特性。 由於RF功能通常沒有1:1可重用的模塊,因此必須從頭開始開發每個新設備。 RF庫通常比數字庫落後1-2年。 使用主流CMOS技術來實現RF功能意味著它將在技術上落後一代。 因此,將數字和RF功能集成在一個芯片上意味著將使用上一代CMOS技術來實現數字功能,而數字功能通常更昂貴。 此外,無源元件(電感器)和RF /模擬功能無法真正與CMOS工藝技術同時發展。 因此,隨著技術的發展,RF部分相對於數字部分所佔的面積將增加。
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