前言 隨著通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）網(wǎng)絡(luò)在日本和歐洲實(shí)現(xiàn)商用，市場(chǎng)對(duì)多頻段寬帶碼分多址（W-CDMA）收發(fā)器芯片的要求更加苛刻——除了縮小芯片面積和主板占用空間、減少組件數(shù)量、降低材料成本外，還要求芯片具備足夠的靈活性，不僅要支持工作頻段I，還要支持其他多個(gè)頻段。考慮到UMTS的全雙工性質(zhì)，再加上支持所有頻段要求在面積更小的芯片上集成多個(gè)發(fā)射和接收通道，如何最大限度降低這些通道之間的串?dāng)_，就成為一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。第一顆采用0.13微米CMOS工藝制造的單芯片直接轉(zhuǎn)換收發(fā)器于2003年2月面世；第一顆采用0.35微米SiGe BiCMOS工藝制造的單芯片UMTS收發(fā)器于2004年正式推出。最新發(fā)布的直接變換設(shè)計(jì)包括一個(gè)采用0.35微米SiGe BiCMOS工藝制造的適用于WCDMA/HSDPA網(wǎng)絡(luò)的三頻段單芯片收發(fā)器。 本文介紹了一種適用于頻分復(fù)用（FDD）網(wǎng)絡(luò)的低功耗、多頻段、全集成化單芯片UMTS W-CDMA/HSDPA直接轉(zhuǎn)換型收發(fā)器。它采用0.13微米CMOS工藝制造而成。該設(shè)計(jì)包括三條零中頻接收（RX）通道，三條直接轉(zhuǎn)換型發(fā)射（TX）通道，兩個(gè)分?jǐn)?shù)型頻率合成器。它們都由一個(gè)多標(biāo)準(zhǔn)編程接口控制。圖1顯示了該芯片的完整框圖。 接收器包括差分輸入端口、第二低噪放大器級(jí)（2nd LNA）、兩個(gè)下變頻器（帶CMOS Gilbert型混頻器以及緊隨其后的低噪緩沖放大器）、一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的模擬有源六階基帶（BB）濾波器，并且伴隨一個(gè)附加的二階可編程陷波濾波器（2.7 MHz）。所有直流偏置由內(nèi)部電路補(bǔ)償。 該收發(fā)器包括一個(gè)Butterworth型三階模擬有源基帶濾波器，以及三個(gè)直接上變頻器、可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）級(jí)（每條通道的增益控制范圍超過(guò)85dB）、高功率輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)（典型輸出功率為11dBm）。VGA級(jí)的自適應(yīng)偏置，可確保整個(gè)輸出功率范圍內(nèi)功耗最低。 混頻器包括全集成式壓控振蕩器（VCO），后者集成了片上調(diào)諧電路、自動(dòng)上電校準(zhǔn)和環(huán)路濾波器等功能。 所有功能均由一個(gè)基于三線制總線設(shè)計(jì)的靈活的多標(biāo)準(zhǔn)編程接口控制，這不僅實(shí)現(xiàn)了后向兼容，而且可支持DigRF標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的全部讀/寫存取操作。 該器件的工作電壓范圍為2.7 -3 V，工作環(huán)境溫度范圍為-30℃至+85℃，可配置成不同的參考振蕩頻率以及不同的基帶接口參數(shù)（例如I/Q共模電壓），從而實(shí)現(xiàn)最佳兼容性。多種節(jié)電模式可確保各類操作情景下的功耗最低。接收通道的最大功耗為通道的最大功耗為35mA（打開(kāi)陷波濾波器時(shí)為37mA），而發(fā)射器的功耗始終低于80mA。如果發(fā)射和接收功能都沒(méi)有啟動(dòng)，一個(gè)被稱為“睡眠模式”的特殊操作模式將被激活。在這種模式下，器件的典型功耗一般為2mA。如果移動(dòng)終端（UE）未被用于無(wú)線信號(hào)收發(fā)（例如，正在使用高級(jí)移動(dòng)終端都具有的個(gè)人數(shù)字助理（PDA）功能），這對(duì)于延長(zhǎng)電池工作時(shí)間非常有用。在睡眠操作模式下，所有的寄存器設(shè)置都保存在一個(gè)特殊的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）中，這樣，在下次被喚醒時(shí)，集成電路就能取回所有的設(shè)置。 如果被用于多模環(huán)境，該收發(fā)器可作為功耗最低的前端控制中心，以及活動(dòng)的備用收發(fā)器（例如GSM收發(fā)器）。其實(shí)現(xiàn)方式是：激活一個(gè)特殊的工作模式，該模式可關(guān)閉發(fā)射和接收功能，從而實(shí)現(xiàn)功耗最小化，并且對(duì)所有6個(gè)前端控制輸出引腳進(jìn)行仲裁設(shè)置。 該芯片采用非常袖珍的無(wú)引腳封裝技術(shù)—PG-WFSGA-81-1 （超細(xì)間距半球珊陣列），面積僅為5×5毫米，最大高度為0.8毫米。球珊間距為0.5毫米。 　　分?jǐn)?shù)型頻率合成器 接收器和發(fā)射器都集成了參考頻率為26MHz的分?jǐn)?shù)型頻率合成器，同時(shí)搭載了參考電阻器。較低的帶內(nèi)相噪，為使用更寬的PLL環(huán)路帶寬（目的是全面集成環(huán)路濾波器）創(chuàng)造了條件，因此可最大限度減少外部組件的數(shù)量。要覆蓋所有的工作頻段（包括附加的頻率容限），在4GHz頻段工作的差分VCO有一個(gè)很寬的調(diào)諧范圍，它被劃分為256個(gè)VCO頻段?？梢酝ㄟ^(guò)在VCO RF輸出端口激活一個(gè)附加的二分頻器以支持UMTS頻段V和頻段VI。相應(yīng)的VCO頻段由內(nèi)部的標(biāo)定算法進(jìn)行選擇，該算法將在PLL被啟動(dòng)或者一個(gè)新的頻點(diǎn)被設(shè)定時(shí)被觸發(fā)。同時(shí)，進(jìn)一步的校準(zhǔn)可最大限度降低PLL的偏變，例如環(huán)路濾波器拐角頻率的離散等。 圖2顯示了混頻器相噪模擬量。 超低帶內(nèi)相噪是實(shí)現(xiàn)接收器和發(fā)射器誤差向量幅度（EVM）最小化的重要基礎(chǔ)。 　　零中頻接收器 根據(jù)過(guò)去發(fā)布的一個(gè)設(shè)計(jì)，每條接收通道由一個(gè)0o/90o I/Q主-從二分頻器驅(qū)動(dòng)，后者可產(chǎn)生為直接將差分射頻輸入信號(hào)混頻至基帶濾波器的異常精確的正交信號(hào)?？删幊淘鲆娣糯笃鳎≒GA）的增益范圍為89dB，每dB步長(zhǎng)的步長(zhǎng)精度大約為0.1dB，整個(gè)增益范圍的步長(zhǎng)精度為2dB。 主要針對(duì)增益步長(zhǎng)采用R-2R網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)上述精確度。在解調(diào)器的后面，采用一個(gè)六階Chebychev型跳耦結(jié)構(gòu)濾波器（帶面向I/Q基帶接口的差分信號(hào)）進(jìn)行抗鋸齒失真和信道隔離處理?？赏ㄟ^(guò)軟件編程方式激活附加的2.7MHz陷波器，從而滿足UMTS頻段II和III的要求。整個(gè)濾波器得到了優(yōu)化，最大振幅誤差為±0.5 dB，相位畸變不超過(guò)±3o。在接收器初始化期間，濾波器的2.275MHz的拐角頻率被校準(zhǔn)，結(jié)果使整個(gè)采樣和溫度范圍的偏差僅為5%?；鶐V波器特性的模擬量參見(jiàn)圖4，其中，實(shí)線代表隨頻率變化的正常濾波器衰減，虛線對(duì)應(yīng)的是被激活陷波器級(jí)的特性。 為了最小化增益轉(zhuǎn)換時(shí)的DC瞬變，接收鏈中的所有運(yùn)算放大器的偏差均被校準(zhǔn)為零。一個(gè)拐角頻率為3.75KHz的附加DC環(huán)路可清除所有的殘余DC偏差。因此，在增益變化時(shí)，瞬態(tài)DC偏差不會(huì)超過(guò)±50 mV。 接收器的最小三階交調(diào)截取點(diǎn)（IIP3）為-6 dB，二階交調(diào)截取點(diǎn)（IIP2）大于35 dBm。高增益范圍的噪聲系數(shù)優(yōu)于12dB。最大EVM為12.5%（有效值），使得接收器能夠被用于高速下行分組接入（HSDPA）7/8類網(wǎng)絡(luò)。典型采樣的EVM大約為8%（有效值），如圖5所示。 低功耗射頻前端設(shè)計(jì) 尤其對(duì)于CMOS設(shè)計(jì)而言，最重要的是最大限度降低電路功耗，從而克服該項(xiàng)工藝的固有缺陷。由于接收器的功耗是一個(gè)重要的預(yù)算參數(shù)，我們選擇了一個(gè)先進(jìn)的射頻前端。依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)中所發(fā)布的一個(gè)設(shè)計(jì)，VCO分頻器和解調(diào)器分別直接位于VCO緩存器和LNA之上。因此，兩個(gè)功能塊共用一個(gè)輸入電源，從而顯著降低了器件功耗。具體工作原理如圖6所示。 圖7顯示了LNA -解調(diào)器功能塊。 直接上變頻發(fā)射器 發(fā)射器內(nèi)含一個(gè)完全差分化可編程輸入緩沖器，以處理不同的基帶輸入信號(hào)。一個(gè)附加的三階Butterworth型基帶濾波器（校準(zhǔn)角頻為4.4MHz）能夠消除各類有害的信號(hào)內(nèi)容（譬如基帶DAC的雜散輻射等），同時(shí)不會(huì)對(duì)有用的信號(hào)產(chǎn)生過(guò)大的干擾。此外，精度高于±0.2 dB的可調(diào)-1 dB和-2 dB增益步長(zhǎng)，能夠處理各類HSDPA信號(hào)群的較高波峰因子。通過(guò)提高以下所述的增益控制輸入引腳的電壓可以補(bǔ)償衰減，并且形成一個(gè)“高線性度”模式，以符合線性度規(guī)范要求?；鶐V波器輸出信號(hào)可驅(qū)動(dòng)直接變換式調(diào)制器（每條發(fā)射通道一個(gè)）中集成的Gilbert型混頻器的輸入級(jí)。由于布局高度對(duì)稱并且完美匹配，再加上在發(fā)射器初始化時(shí)采用了一個(gè)校準(zhǔn)程序，DC偏差始終保持在很低的水平（在高輸出功率范圍內(nèi)通常為-40dBc）。射頻輸入由來(lái)自集成化VCO（高頻段和中頻段通道為二分頻器，低頻段通道為四分頻器）的0o/90o信號(hào)驅(qū)動(dòng)。混頻器的輸出信號(hào)然后被緩存，并被發(fā)送至射頻差分輸出引腳?？傇鲆嬉话愠^(guò)95 dB，分布在基帶和射頻模塊。通過(guò)在不同級(jí)上分配增益（按照優(yōu)化的加權(quán)因子），可實(shí)現(xiàn)VGA的近似對(duì)數(shù)線性特征。通過(guò)在增益控制引腳（TXGC）上施加適當(dāng)?shù)碾妷海?.5-2.2 V），-77dBm至+7dBm的保證輸出功率范圍（取決于所采用的UMTS頻段和發(fā)射通道）可達(dá)到控制。最大功耗（通常為80mA）可隨輸出功率的下降快速下降，在低增益范圍內(nèi)可降低至26mA。當(dāng)輸出功率最大時(shí)，在相應(yīng)的接收頻段，發(fā)射通道一般可實(shí)現(xiàn)-152 dBc/Hz的本底噪聲，同時(shí)保持-43dBc的ACLR（有余量）和3%的EVM（典型值）。圖8顯示的是中心頻率為1950MHz時(shí)的典型調(diào)制輸出頻率。 芯片接口 串行控制總線 該集成電路由兩個(gè)獨(dú)立的串行三線制總線控制。其中一條總線負(fù)責(zé)控制常規(guī)配置，另一條獨(dú)立的總線用于設(shè)置接收增益。編程接口可后向兼容前代產(chǎn)品并可根據(jù)DigRF標(biāo)準(zhǔn)處理相關(guān)命令。最大總線時(shí)鐘頻率等于參考時(shí)鐘頻率（15.36 MHz至38.4 MHz）。也可通過(guò)主用三線制總線（負(fù)責(zé)配置的總線）對(duì)接收增益進(jìn)行設(shè)置。在本例中，備用總線引腳可被用作GPO（通用輸出）引腳。 前端控制 由于多頻段和多模操作所導(dǎo)致的前端復(fù)雜度的加大，要求我們對(duì)外部組件（例如LNA、PA和轉(zhuǎn)換器等）進(jìn)行有效控制。因此，該集成電路包含非常靈活的軟件編程前端控制功能模塊，它可通過(guò)以事件觸發(fā)方式轉(zhuǎn)換6個(gè)專用輸出引腳滿足外部組件控制要求。為了確保兼容未來(lái)的前端組件（例如三增益LNA），可選擇一個(gè)電壓級(jí)別可變的附加邏輯“高”信號(hào)。 操作測(cè)試功能 可通過(guò)啟動(dòng)一個(gè)特殊的測(cè)試模式和讀回測(cè)試圖形對(duì)集成電路功能進(jìn)行檢查，例如檢查是否有所有輸入電壓等。這有助于查明生產(chǎn)過(guò)程中的焊接問(wèn)題。在操作過(guò)程中，鎖定檢測(cè)引腳邏輯狀態(tài)可跟蹤接收器和發(fā)射器PLL的鎖定狀態(tài)。利用這些信息，信道轉(zhuǎn)換防護(hù)間隔可被最小化。 芯片布局 圖9顯示的是該集成電路的縮微圖。接收器射頻通道位于右側(cè)，左上角是調(diào)制器和基帶濾波器。接收器VCO位于芯片中央。發(fā)射器基帶濾波器位于芯片左下角，在發(fā)射器PLL環(huán)路濾波器和發(fā)射器VCO的下方。發(fā)射調(diào)制器和射頻輸出通道位于芯片下緣。 結(jié)語(yǔ) 支持UMTS FDD標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的所有工作頻段的單芯片全集成化3G UMTS/W-CDMA收發(fā)器已經(jīng)推出。該集成電路采用標(biāo)準(zhǔn)化0.13微米CMOS工藝制造而成。該設(shè)計(jì)包括兩個(gè)分?jǐn)?shù)型頻率合成器（搭載全集成化VCO、片上調(diào)諧和PLL）、零中頻接收通道和直接轉(zhuǎn)換型發(fā)射器通道。接收器和發(fā)射器都具備出色的性能，為創(chuàng)建滿足UMTS最低性能規(guī)范（帶容限）的平臺(tái)解決方案創(chuàng)造了條件。該器件的工作電壓為2.7-3 V，接收模式下功耗為35 mA，在發(fā)射器活動(dòng)時(shí)的最大功耗為80 mA。這些結(jié)果表明了本文所述收發(fā)器的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗赏瑫r(shí)滿足BiCMOS工藝產(chǎn)品的功耗和性能要求。該芯片采用非常袖珍的無(wú)引腳封裝，面積僅為5×5毫米，高度僅為0.8毫米，完全符合ARIB WCDMA和UMTS標(biāo)準(zhǔn)。