移动电话设计中的新技术

移动电话体积的迅速减小会引起移动通话中的偶然故障,但是,由用户需求而推动的内部技术可以在增加通话时间时使手机变得更小。

    CDMA的使用取代了数字领域中传统的高级移动电话业务(AMPS),并集中在Agilent Technologies的CDMAdvantage 技术。

    去年10月,Agilent宣布了其TRI模式手机双频CDMA芯片集中包含有源RF电路接收器侧的终端装置。

    HPMX-7102双频、TRI模式下变频器多芯片模块是用于 800和1900 MHz CDMA和AMPS网络的。它包含MGA-71543低噪声放大器,该低噪放含有一个旁路转换,无需扰动电路匹配而使增益禁止。

    RF芯片集用Agilent的第二代伪高电子迁移率晶体管(PHEMT)、高级双极硅及其薄膜体声谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)工艺实现密封解决方案,在误帧率低于1%时,灵敏度为106.5dBm。芯片集接收结构使手机制造商可根据系统要求使灵敏和线性最佳,并使电流消耗最小。

    发射端有功放模块,其在中等功率输出时,被优化而具有很高的效率。根据CDMA手机的典型使用曲线图可知,这种功能可延长电池的使用寿命。模块被完全匹配,并在单一正向电源下工作,此电源只需外部去耦电容器。这些电源模块可由Agilent的上变频器直接驱动。

改进的性能

    由Agilent开发的这项技术采用了新颖的、具有突破性的谐振器技术-薄膜休声谐振器(FBAR),它被用来做为现代无线通信系统中的主要的频率整形器件(如滤波器、双工器和振荡器中的谐振器)。FBAR分为四个部分。

    第一部分,“薄膜”。使用薄膜半导体工艺建立空气中的金属-氮化铝-金属夹层,从而构成FBAR谐振器。第二部分,结构中的“体”部分在谐振形成的地方产生。当交变电势作用在夹层上时,整个氮化铝层膨胀、收缩,产生振动。这种谐振发生在材料的体内,相反,发生在材料的表面就是表面声波(SAW)器件的情况了。与表面声波所用的交指型结构相比,尤其是对交指型结构间距必须缩小的较高频率情况,体谐振器的一个优势是较好的功率控制特性。第三部分“声”指的是振动膜,其产生高Q值的机械(声)共振。从波长×频率=速度,这样一个关系式可以很清楚地看出,对于给定的共振频率,以每秒传播几百米的声波将比以光速传播的电信号的波长更短。因此,对于给定频率的声谐振器的自由度要比同轴谐振器的低几个数量级,使声器件更适于半导体芯片。表面声波器件相对于陶瓷谐振器也具有这种优势。

    当交流电压加在氮化铝层上时,极化向量P会发生相变。在某个电压V(fs)下,向量P将与所加电压产生的向量E同相,从而产生一个串行谐振。在另一个电压V(fp)下,向量P将与向量E反相,产生一个并行谐振。串行和并行谐振可由等效电路(见图1)和下列等式来描述其特性:

    串行谐振：

    fs=(Lm·Cm) -(1/2)

    Rs=Rseries+Rm

    并行谐振：

    fp=(Lm·Cm) -(1/2)·(1+Cm/Cp) -(1/2)

    Rp=Zplate(Rm+1/Gshunt) -1

    把压电耦合用于声谐振的获得,以形成电谐振器。然后,谐振器接到提供信号波形(滤波)的网络中。谐振器也可用于构成压控振荡器(VCO)等器件。

性能

    用FBAR技术实现的高Q值和耦合系数可使所形成的结构性能与陶瓷谐振器和表面声波谐振器的性能相抗衡。目前Q值已超过1000。

    FBAR方案与陶瓷谐振器相比,在小型化方面有了相当大的进步,已可提供比目前陶瓷谐振器体积小10%的产品。FBAR样品的电性能与目前CDMA PCS陶瓷双工器的性能差别在几个dB范围内,Agilent预期FBAR产品可提供与陶瓷型产品相同的性能。

    FBAR将提供超过表面声波器件的电性能,这包括较低的插入损耗,较陡的滤波器特性以及较好的功率控制性能。很多优势来自于与体效应器件相关的较低的寄生性,以及省去了电路布局中的布拉格反射器(Bragg reflectors)。FBAR还能改善带宽和不需要频带分离。

    另外,当细间距交指型结构中获得高功率控制特性的困难限制了表面声波双工器工作在移动频段时,FBAR技术可扩展到PCS频率,并用于制作工作到10GHz以上频率的谐振器。

表1 三种谐振器技术比较

FBAR技术与硅和砷化镓晶片工艺兼容,这为在同一半导体封装内包含在有源元件和滤波的集成无线电方案提供了解决途径。最终,同一芯片会含有以上这些功能。相反,表面声波器件通常采用锂钽或锂铌工艺,其较高成本的基片被限制于多芯片模块集成。相对大一些的陶瓷技术不太可能集成。表1示出了3种技术的比较。

    其它优点包括:

    *芯片集是为双频手机设计的;

    *可最佳地工作在单锂离子电池方式;

    *体积小:片上控制功能可省去外部控制电路;低噪声放大器使用SOT-343,最小化的片上旁路开关;下变频器采用BCC封装。

    *功耗低:低噪声放大器的旁路状态不消耗电流;上变频器中的发射器驱动器采用自适应偏压使电流消耗最小。

    *接收器灵敏度高:分离式LNA(低噪声放大器)结构允许使用低噪声PHEMT技术(PHEMT LNA或分离式PHEMT);带有频带分离滤波(HPMX-7201)和增益分配的发射链结构可使接收器频带噪声最小。

    *成本低:除LNA(GaAs PHEMT)外,广泛使用最低成本的Silicon 技术,对于RFIC采用了大量的行业标准封装。