簡(jiǎn)化LTE的復(fù)雜性：第一個(gè)可重構(gòu)的射頻前端

LTE器件市場(chǎng)正在迅速增長(zhǎng)，而且，它對(duì)射頻前端(RFFE)性能的要求是前所未有的。ABI研究公司預(yù)測(cè)，在2014年，LTE訂購(gòu)量將達(dá)到3.752億，在2015年，將增加60 %，上升到的5.889億。該公司的研究簡(jiǎn)報(bào)“明天的互聯(lián)世界：2014和2015年預(yù)測(cè)"中也指出，LTE和其他連接器件功能的增強(qiáng)，將推動(dòng)“全球一年的 4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量在2014年增加一倍以上，達(dá)到12.4艾字節(jié)"。越來(lái)越多的頻段加上載波聚合的實(shí)施，支持?jǐn)?shù)據(jù)量增長(zhǎng)的需求，但是，與先前各代的移動(dòng)無(wú)線比較，這極大地增大了射頻前端的復(fù)雜程度。保守地說(shuō)，即將出現(xiàn)的射頻前端系統(tǒng)中，射頻前端的可能狀態(tài)的數(shù)量(參見(jiàn)圖1)將增加5000倍以上。頻段、不同的調(diào)制方案、功率放大器模式、天線調(diào)諧狀態(tài)和下行鏈路載波的數(shù)量越來(lái)越多，把這些相乘起來(lái)，便得到射頻前端復(fù)雜程度增大5000倍的結(jié)果。由于射頻前端如此復(fù)雜，現(xiàn)在，產(chǎn)業(yè)界需要真正的可重構(gòu)射頻前端。

圖1 在未來(lái)的幾年中，射頻前端將迅速地變得更加復(fù)雜。此圖說(shuō)明，把頻段、調(diào)制方案、功率放大器模式、天線調(diào)諧狀態(tài)和下行鏈路載波聚合的數(shù)量乘起來(lái)，便得到射頻前端的復(fù)雜程度增大5000倍。

困難重重：一個(gè)全球通的用SKU

射頻前端包含收發(fā)器輸出和天線之間的所有元件。傳統(tǒng)上，它一直是由眾多不同廠商，在迥然不同的技術(shù)混合使用的基礎(chǔ)上，獨(dú)立設(shè)計(jì)的一組產(chǎn)品。移動(dòng)數(shù)據(jù)的需求推動(dòng)著頻段的大量增加，以及LTE和載波聚合這些先進(jìn)的技術(shù)，在此之前，這是可以接受的解決方案。今天，市場(chǎng)的要求更多，但是，OEM廠商受到現(xiàn)有射頻前端技術(shù)的限制，不能提供一個(gè)可以在全球所有地區(qū)使用的參考設(shè)計(jì)──只需要一個(gè)全球通用的SKU的設(shè)計(jì)。

我們來(lái)看看蘋(píng)果公司最近推出的iPhone 5S，它里面有5個(gè)SKU ，以適應(yīng)不同區(qū)域的需要。我們的研究表明，這些器件之間唯一明顯的區(qū)別是射頻前端包含的東西。在最近，我們與行業(yè)中領(lǐng)先的分析公司一起討論。我們的討論證實(shí)了這些研究結(jié)果。參加討論的領(lǐng)先公司是Gartner公司， IHS iSuppli公司和Strategy Analytics公司。假如有一項(xiàng)技術(shù)可以供蘋(píng)果公司使用，推出一種iPhone，它用一個(gè)SKU就能滿足全球的需要，試想一下，在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造以及供應(yīng)商管理和存貨管理等方面，能省下多少成本。

使用現(xiàn)有的CMOS射頻開(kāi)關(guān)和天線調(diào)諧器加上GaAs功率放大器(PA )的混合型射頻前端，不可能提高芯片的集成程度。現(xiàn)在，射頻前端的復(fù)雜程度呈指數(shù)般地上升，集成是關(guān)鍵。一些公司試圖通過(guò)開(kāi)發(fā)復(fù)雜的多芯片模塊，逐漸地作出改進(jìn)，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是在技術(shù)上受到了限制。只有真正的可重構(gòu)射頻前端能夠做到一個(gè)􀀴􀀬􀀶，全球通用，而且，只有整個(gè)系統(tǒng)使用CMOS技術(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的射頻前端 。

CMOS的優(yōu)點(diǎn)

二十五年來(lái)，Peregrine半導(dǎo)體和它的創(chuàng)辦人一直在射頻SOI領(lǐng)域領(lǐng)先，并且有一個(gè)愿景，這就是在CMOS的基礎(chǔ)上，做出一個(gè)集成射頻前端。CMOS設(shè)計(jì)的好處包括，有很多CMOS工廠，工藝控制十分嚴(yán)格，能夠把各種功能集成在一塊硅片上，其中包括調(diào)諧功能和控制功能。

Peregrine半導(dǎo)體公司的UltraCMOS ® 10技術(shù)平臺(tái)在2013年10月問(wèn)世，它使用130納米的RF- SOI技術(shù)，把射頻應(yīng)用的性能提高了一倍──它的􀀳􀁐􀁏* Coff是有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案的一半(見(jiàn)圖2 )。

圖2 Peregrine半導(dǎo)體的UltraCMOS®10技術(shù)平臺(tái)──新一代射頻開(kāi)關(guān)，調(diào)諧器和功率放大器的基礎(chǔ) ──顯著地提高了用Ron* Coff性能指數(shù)(􀁇􀀴)表示的性能。

Peregrine半導(dǎo)體的UltraCMOS®Global 1系統(tǒng)

UltraCMOS10平臺(tái)在性能和設(shè)計(jì)兩方面都有很大提高，Peregrine半導(dǎo)體公司充份發(fā)揮它的長(zhǎng)處，做出來(lái)第一個(gè)可重構(gòu)的射頻前端系統(tǒng)，它能夠做到一個(gè)SKU，全球通用。這個(gè)射頻前端稱作UltraCMOS Global 1，它可以擴(kuò)展，通過(guò)低損耗的開(kāi)關(guān)和調(diào)諧之間的高度隔離，可以很容易做到支持?jǐn)?shù)量更多的頻段，從而解決互操作問(wèn)題，并以數(shù)字控制的方式，適應(yīng)所有的模式和頻段，最重要的是，功率放大器的性能和GaAs功放相當(dāng)。

Peregrine半導(dǎo)體的UltraCMOS®Global 1系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)包含：

• 3路、多模式、多頻段功率放大器

• 功放后面的開(kāi)關(guān)

• 天線開(kāi)關(guān)

• 天線調(diào)諧器

• 支持包絡(luò)跟蹤

• 通用的射頻前端 MIPI接口

圖3Peregrine半導(dǎo)體的UltraCMOS®Global 1是第一個(gè)可重構(gòu)射頻前端系統(tǒng)。

行業(yè)中第一個(gè)達(dá)到GaAs功放性能的CMOS功放

在以前，沒(méi)有一家廠商能夠提供性能和GaAs功率放大器相當(dāng)?shù)腃MOS功率放大器，這樣，在LTE領(lǐng)域，CMOS功放不會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)。在這個(gè)領(lǐng)域，在性能方面的任何下降，都是不可以接受的。UltraCMOS®Global 1系統(tǒng)把Peregrine的成熟的、最好的射頻開(kāi)關(guān)和調(diào)諧器與第一個(gè)CMOS功率放大器緊密無(wú)間地整合在一起，達(dá)到GaAs功率放大器的性能。性能達(dá)到這個(gè)水平的功放，不需要增強(qiáng)包絡(luò)跟蹤，也不需增大數(shù)字預(yù)失真，在比較CMOS功放和GaAs功放的性能時(shí)，往往用這種方法。

圖4 Peregrine半導(dǎo)體公司的UltraCMOS®Global 1功放是行業(yè)中第一個(gè)達(dá)到GaAs功放性能并超過(guò)現(xiàn)有CMOS功放性能十個(gè)百分點(diǎn)的功放，這表示效率提高了百分之33。

圖4說(shuō)明，窄頻帶功放的PAE(功率增加效率)性能指標(biāo)的比較，這里使用WCDMA(語(yǔ)音)波形，相鄰信道泄漏比(ACLR)為-38 dBc。在這些條件下，UltraCMOS Global 1功放的性能已接近PAE為50%。這與領(lǐng)先的GaAs功放產(chǎn)品水平相當(dāng)，超過(guò)現(xiàn)有CMOS功放十個(gè)百分點(diǎn)，這表示效率提高了百分之33。

圖 5 Peregrine半導(dǎo)體的UltraCMOS ®Global 1 功放能夠與GaAs功放的性能媲美，并且做到GaAs功放做不到的事：支持全球通用的單片SKU LTE器件。

圖5說(shuō)明，Peregrine的功放作為UltraCMOS ®Global 1系統(tǒng)的一部分，它的性能并不局限于有競(jìng)爭(zhēng)力的WCDMA的性能，而且保持與GaAs相當(dāng)?shù)摹⒂糜贚TE波形的PAE。在LTE標(biāo)準(zhǔn)中，按照指定給用戶的信道帶寬對(duì)資源塊(RB)進(jìn)行不同的分配。 5MHz的信道相當(dāng)于25個(gè)RB，20MHz信道相當(dāng)于100個(gè)RB。而且，這個(gè)數(shù)據(jù)是在沒(méi)有使用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)或包絡(luò)跟蹤的情況下得到的。

用第三方包絡(luò)跟蹤來(lái)提高性能

UltraCMOS Global 1功放沒(méi)有使用包絡(luò)跟蹤就達(dá)到了有競(jìng)爭(zhēng)力的GaAs功放的性能水平，同時(shí)，UltraCMOS Global 1本身支持包絡(luò)跟蹤( ET)，并且已經(jīng)設(shè)計(jì)成為支持目前市場(chǎng)上所有主要的解決方案。在功率飽和( PSAT )時(shí)的PAE說(shuō)明了使用ET調(diào)制器可以達(dá)到甚么樣的PAE，不過(guò)，ET帶來(lái)的效率增強(qiáng)，與具體的頻段有關(guān)。由于使用了包絡(luò)跟蹤器，UltraCMOS Global 1的PAE提高了20個(gè)百分點(diǎn)。

可重構(gòu)

在CMOS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)射頻前端的一個(gè)最大好處是，它的高度可重構(gòu)性賦予射頻工程師的靈活性。有不同程度的可重構(gòu)性──從簡(jiǎn)單的偏置控制到整個(gè)射頻調(diào)諧。Peregrine半導(dǎo)體充分發(fā)揮它在射頻天線調(diào)諧產(chǎn)品方面的技術(shù)專長(zhǎng)，把可重構(gòu)的能力設(shè)計(jì)到UltraCMOS Global 1射頻前端之中 。利用可重構(gòu)系統(tǒng)，可以在所有頻率上保持性能是一致的。在窄帶解決方案中，這很少成為主要的問(wèn)題，但是，對(duì)于寬帶系統(tǒng)，會(huì)隨著頻率而明顯地下降，由于工藝上的誤差，以及電壓和溫度變化，會(huì)進(jìn)一步加劇。

圖6 通過(guò)可調(diào)諧的匹配網(wǎng)絡(luò)，Peregrine半導(dǎo)體的UltraCMOS® Global 1功放能夠?qū)π阅苓M(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)頻帶進(jìn)行調(diào)諧，可以進(jìn)一步抑制其他頻段，對(duì)于減輕一些難以互操作的情況，是有幫助的。

在圖6中的曲線是UltraCMOS Global 1 功放被調(diào)諧到了三個(gè)不同的調(diào)諧狀態(tài)。這意味著調(diào)諧狀態(tài)是根據(jù)操作頻率進(jìn)行選擇的，以便達(dá)到最佳性能。例如，在790MHz選擇調(diào)諧狀態(tài)1，但是，在860MHZ，可以使用調(diào)諧狀態(tài)2 。由于往往需要用一個(gè)功放盡可能高效率地支持多個(gè)頻段，這點(diǎn)變得越來(lái)越重要。圖中有一個(gè)典型的GaAs寬帶功率放大器的性能特性，作為比較頻率特性下降的基準(zhǔn)。

在每個(gè)集成射頻前端元件中，UltraCMOS Global 1提供了多種重構(gòu)方案：

• 射頻調(diào)諧：功放可以根據(jù)運(yùn)作頻率、調(diào)制方式或者使用的功率電平進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)調(diào)諧，UltraCMOS Global 1的每條信道可以在頻段的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，充份減少PAE和線性度的變化(圖6 ) 。

• 針對(duì)頻帶對(duì)界面進(jìn)行優(yōu)化：在許多單頻帶功放和雙工器( PAD)模塊中，對(duì)功率放大器和雙工器之間的阻抗進(jìn)行了優(yōu)化，以便優(yōu)化PAE 。對(duì)于一個(gè)固定的多頻帶放大器，這是不可能的，因?yàn)樗枰С侄鄠€(gè)雙工器。用一個(gè)可調(diào)諧功率放大器，能夠?qū)γ恳活l帶，對(duì)這個(gè)界面的阻抗進(jìn)行優(yōu)化，這將提高整個(gè)射頻前端系統(tǒng)的性能。

• 對(duì)每個(gè)頻帶、每個(gè)模式進(jìn)行偏置：按照工作頻帶和模式，如何對(duì)功率放大器進(jìn)行偏置，有很大差別。在CMOS工藝中，可以通過(guò)靈活的偏壓來(lái)控制。

• 容差的校正：在 UltraCMOS Global 1的可重構(gòu)系統(tǒng)中，由于在最終測(cè)試階段進(jìn)行的處理，射頻工程師可以消除制造公差。消除射頻前端的大部分變化之后，可以顯著提高系統(tǒng)的性能，這樣，可以把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為更加嚴(yán)格地接近規(guī)范的要求。

• 只用CMOS實(shí)現(xiàn)：要把射頻調(diào)諧和偏置的靈活性做到這個(gè)水平，需要相當(dāng)數(shù)量的控制位和密集的互連。UltraCMOS Global 1包含射頻前端的MIPI 控制界面，100多條控制線，模擬驅(qū)動(dòng)器和其他支持電路。參考電壓都來(lái)自同一個(gè)偏置電壓產(chǎn)生器，確保對(duì)工藝、電壓和溫度進(jìn)行全面跟蹤。對(duì)于多芯片解決方案，要達(dá)到這個(gè)程度的控制，是不可能的，因此，對(duì)于GaAs，要把功能做到這個(gè)水平，是不可能的。

Peregrine半導(dǎo)體已經(jīng)為市場(chǎng)提供了二十多億個(gè)開(kāi)關(guān)和調(diào)諧器，現(xiàn)在推出行業(yè)中唯一的CMOS功率放大器，挑戰(zhàn)GaAs功放的性能。UltraCMOS Global 1功放加入Peregrine業(yè)界中性能最好的射頻天線開(kāi)關(guān)和調(diào)諧器行列，成為完成可重構(gòu)射頻前端所需要的最后一個(gè)元件 。有了這樣的可重構(gòu)射頻前端，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)SKU，全球通用。UltraCMOS Global 1功放的性能將在2014年移動(dòng)世界大會(huì)上演示，平臺(tái)的整合將在2014年完成，并在2015年逐步投入大批量生產(chǎn)。

結(jié)論

Peregrine半導(dǎo)體的UltraCMOS Global 1是為了解決LTE設(shè)備領(lǐng)域的一個(gè)最大挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的── 一個(gè)SKU，全球通用。它是第一個(gè)完全可重構(gòu)的射頻前端，因?yàn)樗窃谙冗M(jìn)的CMOS平臺(tái)上設(shè)計(jì)的，并且凝聚了Peregrine半導(dǎo)體的二十五年的射頻技術(shù)專長(zhǎng)。在推出業(yè)界第一個(gè)CMOS功率放大器，達(dá)到GaAs功率放大器的性能水平之后，在今天完成這個(gè)射頻前端系統(tǒng)， 而CMOS平臺(tái)提供的可重構(gòu)和性能，使得一個(gè)SKU、全球通用成為可能。

RF設(shè)計(jì)工程師將最受惠于UltraCMOS Global 1 ，因?yàn)樗梢源罅康販p少所需要的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間。眾所周知，在移動(dòng)無(wú)線行業(yè)，縮短開(kāi)發(fā)周期是一個(gè)重大好處。UltraCMOS Global 1除了射頻設(shè)計(jì)工程師可以利用的優(yōu)點(diǎn)，它的好處會(huì)滲透到無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)：

• 平臺(tái)提供商能夠開(kāi)發(fā)一個(gè)參考平臺(tái)，降低參考設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)成本，縮短驗(yàn)證時(shí)間。

• OEM廠商能夠設(shè)計(jì)一個(gè)全球通用的SKU ，降低研發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市時(shí)間，簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈并改善存貨管理。

• 消費(fèi)者可以享受更長(zhǎng)的電池壽命，更好的接收效果，更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更廣泛的漫游范圍。

UltraCMOS Global 1系統(tǒng)提供了更大的靈活性、更多的選擇，以便滿足下一波對(duì)全球移動(dòng)設(shè)備創(chuàng)新的需求。