GSM前端中下一代CMOS开关设计

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GSM前端中下一代CMOS开关设计

早期手机设计采用环行器在发身与接收间双工通信。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前端难题
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：
PAE=PAE*10-IL/10
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，基功放与天线间的插入损耗是1.5dB，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28μs。当从RX开关至TX时，10μS内不能发送信号，以便完成开关动作。尽管有10μS间时，设计人员宁愿将开关时间设定在1-5μS之间，确可开关在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330欧母电阻与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，这些技术在下一节详加讨论。
开关解决方案
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。
GAAS开关的ESD承受能力较低，通常为250~500V，需另加保护。正是这一要求与实现困难度两方面因素，迫使很多设计人员放弃真正的SP6T开关，转而改用2个SP3T和双工器组合结构。双工器提供ESD保护，代价是设计中增加了0.4dB插入损耗。某些供应商选择另一种实施方案，即在单个IC中将SP4T和SP3T级联起来。SP4T的输出路由至RX端口，形成RX与TX两个开关的串联。这个方案在频带重叠区提供适当的隔离来保护LNA，但同时也增加了插入损耗，从而增加噪声值。
GAAS开关是用耗尽型FET制作的，其负VGS值应低于截断电压，将器件关闭。此外，要想和来自CMOS逻辑的正控制信号一起工作，FET是隔直的，且源和漏要偏置在CMOS电源VDD电压。这样才有可能用O_VDD信号来控制GAAS开关。隔直电容可集成在LTCC中，虽然它会增加面积和LTCC衬底的层数。
最近，RFCMOS异军突起，并已进入前端开关领域（见图1c）。传统上，RF CMOS仅适合低压应用，但器件和电路技术的突破，使RF CMOS开关完全能满足GSM的各项要求。
Ultra CMOS技术
RF CMOS工艺可分为两大类：体硅工艺和SOI（绝缘体上硅）工艺。由于体硅CMOS在源和漏至衬底间存在二极管效应，造成种种弊端，多数专家认为采用这种工艺不可能制作高功率高线性度开关。与体硅不同，采用SOI工艺制作的RF开关，可将多个FET串联来对付高电压，就象GAAS开关一样。
SOI的一个特殊子集是蓝宝石上硅工艺，在该行业中通常称为Ultra CMOS。蓝宝石本质上是一种理想的绝缘体，衬底下的寄生电容的插入损耗高、隔离度低。Ultra CMOS能制作很大的RF FET，对厚度为150~225μm的正常衬底，几乎不存在寄生电容。
Ultra CMOS 工艺的基本结构如图2所示。晶体管采用介质隔离来提高抗闩锁能力和隔离度。为了达到完全的耗尽工作，硅层极薄至1000A。硅层如此之薄，以致消除了器件的体端，使它成为真正的三端器件。目前，Ultra CMOS 是在标准6寸工艺设备上生产的，8寸生产线亦已试制成功。示范成品率可与其它CMOS工艺相媲美。
尽管单个开关器件的BVDSS相对低些，但将多个FET串联堆叠仍能承爱高电压。为了确保电压在器件堆上的合理分压，FET至衬底间的寄生电容与FET的源与漏间寄生电容相比应忽略不计。当器件外围达到毫米级使总电阻较低时，要保证电压的合理分压，真正的绝缘衬底是必不可少的。
Ultra CMOS 开关插入损耗低，隔离度高。SP6T结构消除了双工器，大大地减少了总插入损耗。为了满足IEC1000-4-2ESD要求，天线处并联一个27nH电感再串联一个33pF电容已绰绰有余。这些元件也可集成在LTCC中，增加的插入损耗不到0.1dB。
GSM开关设计，特别是采用低压工艺，最困难之处在于满足线性度要求。上面已提及，只要将多个器件按需堆叠，就能实现任意高功率要求，然而在满足规范的同时，还要优化器件堆结构以减少芯片尺寸。已设计了一个示范性开关，当电源电压为2.4V时，其谐波功率对输入功率的关系和压缩性能示于图3中。在最大工作功率+35dBm处，Ultra CMOS开关相对于GSM规范-30dBm要求还有6dB的余量。采用Ultra CMOS工艺，畸变对正、负电压摆动是对称的，因而从本质上二次谐波的畸变是很低的。考虑到GSM发射频带的二次谐波恰好落在DCS接收频带中，低偶次谐波畸变正是GSM系统需要的。
Ultra CMOS 的蓝宝石衬底特别适合倒装工艺。蓝宝石属于陶瓷类，其热膨胀系数和LTCC十分匹配。蓝宝石也是仅次于宝石最硬的衬底，能承受大的机械压力。具备这些特性的开关极易倒装在LTCC衬底上，消除了连线压焊占用面积。真正晶圆级芯片规模封装已在研发中，最终能生产出和标准表面贴装元件一样的开关。
小结
Ultra CMOS 开关消除了译码器，隔直电容和双工器。该工艺和芯片规模封装技术相结合，能大大减少LTCC ASM的尺寸和厚度。高固有ESD承受能力和3控制线接口能简化实施方案和使用。Ultra CMOS工艺的高成品率以及实现更多开关掷数的可扩展性，为下一代手机更高级集成提供了可依遁的路线图。（东华）
表1、全球化GSM频带原文Table 1
图1、SP2T开关结构：（a）PIN二极管； (b)GaAs IC； (c)RF CMOS  IC
图2、Ultra CMOS 器件结构图。
图3、GSM线性度性能（a）输出谐波功率对输入功率关系；(b)压缩性能
表1、全球GSM频带