除了工艺技术的选择外,功率放大器依然存在其它问题。“随着有效通道长度变短,集成功率放大器的问题变得越来越困难,”Rofougaran说。“由于多种原因,比如可靠性和局部发热等,极小型晶体管不能承受较大信号。在某些工作条件下,功率放大器中会有相当大的电流。”尽管如此,Broadcom 还是在蓝牙芯片等某些低功耗的应用中集成了功率放大器。
“从技术角度来说可以集成达到大约10 mW的任何功率放大器,但实际上目前4 mW已经是极限,”Cypress的Wright说道,“超过这一限度,功率放大器的某些结构即使在低功耗模式下也能消耗大量静态功率,从而缩短电池寿命。在更先进的工艺中,电压摆幅也是个问题。”
无线电架构
采用单芯片或双芯片的决策与设计师实施的无线电架构决策相互影响,这些决策包括无线电中接收器和发射器的选择。人们对接收器存在一种偏见,认为越早对信号进行数字处理,效果就越好。某些厂商曾将ADC 置于低噪声放大器的输出端,直接对输入的R
F数字化,而在转换器输入与白噪声之间只采用一个带通滤波器。另一极端,某些设计师继续使用可以追溯到电子管无线电年代的超外差接收器架构。而最常采用的直接转换接收器架构介于两者之间。
通常理想的情况是只将一个ADC 置于低噪声放大器中。这种方式基本上消除了RF 设计的问题,同时带来新的可能性。例如,简单数字化整个蜂窝频谱的蜂窝基站可即时对频带进行滤波,并可对多个调制方案选择通道。设计师不需要为每个主动会话分配RF 前端,同时数字域中的滤波质量会超过任何物理滤波器。
“但这种设计的转换器很难实现,需要足够的电流,”O’Connell说。为了采集足够的信号以确保数字处理的成功,转换器需要拥有较大的采样速率和较宽的动态范围, DSP从可以从相邻通道信号及带外噪声抽取少量的输入信号。由于类似的原因,这种方案同时具有出色的线性特点。虽然这种转换器设计目前已有可能,但O’Connell 认为这种转换器设计只适合于高端设计,如基站和多标准的“全球性电话。”
对多数无线电
架构师来说直接转换接收器 (图3)是更好的选择。 在这种架构中,RF 信号由低噪声放大器传送至RF 信号与来自本地振荡器的I (同相) 和Q (正交) 信号相乘的混合器。 结果就产生基带频率中的I和Q两个信号。 通常,基带信号通过抗混叠滤波器进入一对ADC中。
这种方式却并不能大大简化问题。直接转换架构出现在电子管无线电早期超外差技术之后,但由于各种各样挑战性的问题,随后被设计师放弃。低噪声放大器和混合器必须为线性,本地振荡器必须清晰稳定,而直接转换架构的适合程度在某种程度上取决于调制方案。“这取决于数据,”Broadcom公司的Rofougaran说道,“我们的2046 蓝牙芯片需要处理数据带宽比较窄、很多信号频谱接近直流的GFSK (高斯滤波频移键控) 等问题。由于直流漂移取消,直接转换架构存在问题,所以,我们使用低IF 超外差结构。与此相反,无线局域网有较宽的数据带宽和较少的接近直流信息,因此我们采用直接转换架构。”
Cypress 还选择了低IF 超外差架构来实施无线USB 设备。“这种架构最适合我们的情况了,”Wright 解释说,“我们良好的电路设计比直接转换架构具有更好的抑制效果。而且,低 IF在逻辑电路中所消耗的功耗并不多。在某些情况下,我们可以转向直接转换,但最好的选择是重新使用现有的架构。”
一个不适合采用超外差的因素是采用这种方法对接收器进行系统集成比较困难。Alereon公司的Shoemaker 指出,IF 部分可生成不必要的频率毛刺 ,虽然不影响超外差接收器本身,但可严重影响系统中的其它接收器。由于当今很多移动设备中包含多个无线电,因此在设计设备之前,系统架构师必须为封装中所有无线电仔细规划频谱 。
发射器方面也有类似决策。这时,最常用的架构是极性环路功率放大器。这种设计包括了振幅和相位信号的回馈环路,具有良好的振幅与相位线性特点,对于类似采用两种数量进行编码信号的QAM等调制方案非常重要。但设计师还讨论了其它方案,包括未来可能的方案,比如以功率DAC直接驱动天线。
所以在对
SoC无线电的决策中,终端市场及投资方要求厂商进行单芯片设计的压力日益增长,至少是对小信号的RF 电路采用单芯片设计。然而使用这种方法的设计师需要克服集成过程所遇到的很难对付的困难。许多问题反映了积极使用数字电路进行校准和控制,以及反映了设计经验。但这一行业发展到高频接收器RF 部分采用SoC还有较长的路程,而距离只采用最低功耗的发射器电路则更远。
由于CMOS工艺技术并没有转向更友好的RF 设计,如数年前TI做的一样,集成度的不断提高将意味着在电路设计与无线电架构中实现重大创新。Analog Devices公司的Grant 对设计师如何实现这一进步做出了重要的评论:“在数年前的一个项目中,我们只是观望整个设计。”他说。“我们体会到,RF、数字化及软件设计师之间并没有真正地相互交流。他们都只忙于自己的噪声预算,从而导致系统效率低下。这使我们认识到必须对整个信号链进行优化,不能将各模块彼此分割开来,必须全盘考虑无线电,包括滤波器、数字控制及软件创建的运行模式,而不能只关注芯片。”