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2007年2月11日

實現超低成本行動電話的CMOS單晶片方案

實現超低成本行動電話的CMOS單晶片方案

今天，約有35億人生活在行動電話網路覆蓋地區，但其中多數人並沒有購買手機的能力。降低成本是使這些潛力用戶真正

使用手機的驅動力，手機必須以極具吸引力的低廉價格，才能讓手機製造商和電信業者進一步擴展其服務和用戶群。

本文將以英飛凌公司的GSM/GPRS單晶片解決方案E-GOLDradi為例，說明如何以CMOS單晶片方案實現低成本手機設計。

該方案在9 x 9mm2的LF2BGA-233覆晶封裝內整合了所有行動電話所需模組，如基頻、內部記憶體(RAM/ROM)及混合訊號和

RF功能。數據機功能可達到GPRS multi-slot class 12。

E-GOLDradio在單晶片內整合了英飛凌的E-GOLDlite蜂巢式基頻晶片和SMARTi-SD2 RF收發器。表1列出了E-GOLDradio晶片

功能。除了這些基本功能，該晶片的靈活性使其可應用於從超低成本手機到中等距離對講手機等各種不同等級的產品，並

支援掀蓋式手機的雙顯示螢幕、數位相機、MP3播放等功能。圖1為E-GOLDradio系統架構圖。

單晶片整合挑戰

為滿足最低成本、最小尺寸及最小耗電流等要求，手機設計人員必須考慮選擇高整合度系統級解決方案，同時必須從成本

最佳化角度仔細分析和權衡不同製程(如CMOS和BiCMOS)在技術和商業上的優勢。例如，0.25um的CMOS製程就比同等級的

BiCMOS製程便宜近30%~50%，因為它需要的光罩和製程步驟更少。

然而，技術的選擇很大程度上取決於晶片架構和晶片的分割。很明顯，對單晶片整合來說，RF巨集必須採用與基頻相同的

技術實現。因此，與技術相關的製程參數如截止頻率(ft)必須同時滿足這兩種要求。就經驗來看，某種技術的ft必須是不同建

構模組需處理之最高訊號頻率的10倍。過去幾年，CMOS技術的ft參數有了很大改善，目前已經可以用CMOS單晶片實現無

線應用標準，GSM/GPRS單晶片是最新成果。

E-GOLDradio採用130nm的bulk CMOS技術，可提供100GHz的特徵頻率以及近60GHz的最高工作頻率，4GHz頻率下整合

線圈的品質因素接近8。同時透過最多6層金屬層(銅)及一個MIMCAP元件，可實現高性能類比模組。氧化物厚度為2.8nm。

這種製程在I/O電壓適用性方面靈活性很高，如可針對特殊類比和介面電路提供2.5V I/O域，還可利用擴散或多晶矽方法實現

電阻。從技術角度看，這些參數能針對所有現有蜂巢式標準提供良好RF性能，並具有足夠餘量，確保量產單晶片時的穩定性。

避免和克服IC上射頻及數位的潛在串擾，是單晶片RF與基頻整合晶片面臨的主要挑戰。E-GOLDradio並未利用特殊技術製

程改善串擾性能，而是透過成熟的系統架構(如IC、封裝、PCB等)、成熟的設計方法以及版圖間的最佳組合來改善性能。

圖1：E-GOLDradio(GSM/GPRS單晶片)方案系統結構圖。

表1：E-GOLDradio晶片主要功能

CMOS建構模組與電路設計

在使用與數位設計相同的技術進行RF設計時，必須考慮到這種技術並未針對‘類比’要求進行最佳化。用於RF設計的典型建

構模組，如電晶體、電阻、電容和電感的射頻及噪音性能對整個系統的行為和性能有很大影響，需特別注意CMOS製造製

程的變化，特別是由於電路損傷和CMOS缺陷(如1/f噪音)對接收器和發射器行為造成的影響。因此必須採用專門設計來滿足

規格對GSM/GPRS RF參數的嚴格要求。不僅要在很寬的規定溫度範圍及電壓範圍內、而且要在各種CMOS製造製程變化

條件下達到並確保這些性能值。

E-GOLDradio收發器部份基本上是由一個用於Tx調變的Σ-△ PLL和一個用於Rx的直接變頻收發器組成。SMARTi-SD2是整

體架構基礎，它是一種獨立且技術成熟的射頻收發器。

選用的直接變頻架構具備在某種頻率偏移下不存在無用邊帶的特性。考慮到交叉耦合效應，這些無用邊帶可能與已有的其

他偽訊號混合，最終導致整體系統性能降低。

為減輕從PA到VCO的關鍵串擾，並降低系統複雜度，TX路徑採用了調變過的PLL(圖2a)。

圖2：(a) PLL系統結構圖；

圖2：(b) VCO電路原理圖。

Tx架構選擇了Σ-△調變方法，它是解決典型的CMOS擴散問題的最佳折衷方案。在載頻字上增加了預失真調變。由於這種

PLL需要大量校準和數位步驟，因此CMOS製程對於在小晶片尺寸上實現這種邏輯具有很大優勢。

對高頻帶來說，VCO(圖2b)以兩倍頻率執行；對低頻帶來說，VCO以四倍頻率執行。VCO具有60MHz±10%的增益、

1,300MHz頻率範圍。在迴路設計上需要特別小心，因為系統要求非常好的噪音抑制(Σ-△噪音)，特別是在400kHz偏移頻率

點(見圖3)。

因此，為了控制迴路的傳輸函數必須進行某些校準。

在GSM系統中需要實現的一種主要性能參數是在接收器頻帶中的

噪音要求，在低頻帶20MHz頻偏移點需達到-162dBc/Hz性能。此外

需要非常好的噪音性能以滿足接收器的靈敏度和非線性要求。很

明顯，這些參數很大程度上取決於前端濾波器。20MHz頻偏處的

PLL噪音優於-164.5dBc/Hz，這為GSM規格留下了足夠的餘量。

在接收器鏈路上，閃變噪音性能是非常關鍵的參數，因為這種噪

音會導致噪音性能的降低。因此解調器以及整個LO鏈路的成熟設

計對於實現優越的系統性能非常關鍵。必須獲得LO開關訊號的最

佳壓擺率及整體低功耗性能。E-GOLDradio能在整個頻段上獲得優

圖3：由PLL動態特性帶來的噪音頻譜密度改善。

於3dB的噪音電平。在RF接腳上採用2:1的變壓器以及平衡/不平衡

轉換器可輕易地獲取匹配。對於採用的直接變頻接收器來說，除

了非常低的閃變噪音角頻率外，還需要非常好的IIP2性能，以使系統更能承受幅度調變干擾，因而滿足GSM規格要求。

圖4：(a) VCO電路相位噪音

圖4：(b) 在高頻段和低頻段均滿足GSM的輸出功率。

單晶片整合挑戰：交叉耦合

為實現更良好的性能，必須採用整體系統設計方法。這意味著必須考慮不同建構模組間所有可能的交叉耦合機制及其他相

互影響。必須仔細選擇電源設計，以獲得RF模組與數位部份間的最佳去耦效果。而且封裝及佈局對晶片性能影響非常大，

因此必須認真考慮IC版圖(即功能模組佈局)，才能獲得最佳的整體性能。此外，PCB設計也必須考慮這些因素。

在晶片級，必須注意整合在同一顆晶片上之射頻和數位功能間的交叉耦合效應。交叉耦合的其中一個來源可能在CMOS製

程本身的低阻值矽底板下，而絕緣層矽(SOI)等其它製程在交叉耦合效應的敏感性要比CMOS低，但成本高得多。所謂的保

護環是提高隔離度的另外一個選擇。更進一步的概念是深通道，雖然可以使用，但其技術複雜度必然會提高成本。

串擾的其他來源可能是來自電源的耦合、接合線的感應耦合等。降低耦合的對策可以是接地、緩衝、接腳佈局等。解決耦

合效應的另一種方法是對全局頻率的謹慎規劃。由於電路實現的非理想性以及交叉耦合效應，在理想的單頻載分波量旁會

存在若干更高頻率的諧波頻率分量。像智慧頻率轉換器概念以及特殊設計實現等幾種措施可用來減少這種有害的頻譜分量。

E-GOLDradio平台解決方案

E-GOLDradio只需要少量外部元件就能建構完整的行動電話。圖5顯示了所需的主要外部元件(除電源和外部記憶體外)。

顯示螢幕、鍵盤、SIM卡槽、晶振、揚聲器、麥克風以及

RF前端等外部元件，均不需額外的‘膠合邏輯’元件就可

直接連到E-GOLDradio。

E-GOLDradio還具有極高的可擴展性，這對滿足區隔市場

或不同電話類型(如具有MP3播放功能的雙螢幕掀蓋手機與

僅具備語音通訊功能的電話)要求來說非常重要。

如圖6的PCB比較結果顯示可發現，由標準AA電池供電、

僅支援通話的雙頻GSM電話具有巨大的最佳化潛力，且元

件總數可減少一半，電路板面積可降低至25%。

圖5：典型的E-GOLDradio應用：四頻GSM/GPRS行動電話。

圖6：(a) 上一代具有SMS功能的GSM電話約有

圖6：(b) 採用英飛凌ULC參考平台的超低成本行動電話。

150~200個電子元件；

作者：

Markus Hammes

首席概念工程師

Andre Hanke

Tamim P. Sidiki

行銷工程師

英飛凌科技通訊事業部

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