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灵巧划分在WiMAX射频中的应用

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作者:Noman Rangwala,Tom Gratzek


数字革命通过改造人们与周围世界的关系已经改变了我们通信、工作和旅行的方式。数字化电子设备通过支持由各种便携式、可访问的交互式通信媒体构成的巨大网络已经改造了我们的世界。然而,数字技术大有前途的优势只有当它和模拟技术的能力一样好时才能体现出来,以便忠实地将由“1”和“0”表示的数字语言还原为原始的模拟信号。

数字革命的进步一直遵循摩尔定律——芯片中的晶体管数目每18个月翻一番。而模拟技术遵循的则是墨菲定律来表述——如果可能出现任何错误的话,那么,一定是定律本身的错误。模拟技术以更为有规律的步调发展,支配其发展的不是工艺的增强,而是在电路和物理晶体管建模中的创新。这些技术创新从多个维度逐步提高性能、降低功耗和提高集成度。

集成趋势和灵巧划分案例
集成趋势是随着产量和系统成熟程度而变化的;在许多情况下,系统的认可和单位产量绝不能证明经过多轮改进的开发是正确的。在其它一些诸如基站、仪器仪表和军事的应用中,严格的性能要求导致必须采用分立方案实现。在有些情况下,例如用户普遍认可的蜂窝和Wi-Fi网络,竞争压力迫使不断降低成本。由于技术的部署成本越来越昂贵(例如掩模工艺、测试工具和工程成本),从而需要回报来支撑相关研发投资的增加。同时,竞争压力迫使公司在标准生命周期的早期大量投资。如果市场已经起飞,而一个公司的芯片组还没有准备好,那么其结果可能是非常可怕的。

事实上,为了确保当市场起飞时一切都准备好,企业不得不做前期投资,而且这种投资金额越来越高;与此同时,客户要求他们的供应商提供越来越高的性能。如何从当今复杂的通信系统所要求的研发投入中获得可接受的回报成为一个非常棘手的问题。根据SoC的复杂程度——90nm线宽制造工艺所需的开发成本可以很容易就达到1千万到2千万美元,有时甚至更高。一个新设计的成功与否取决于对其IP颇有价值的市场的认知,以及后续各阶段为满足用户需求的合作伙伴的选取。能够全面解决各方面系统开发问题的公司越来越少。然而,重点放在性能成本、上市时间和资金回报却是最根本的要求。

对于新兴的通信应用(例如WiMAX),第一代系统通常已经采用多芯片IC进行开发。媒体访问控制器(MAC)和调制解调器部分可采用FPGA和现成的DSP;射频(RF)部分通常采用分立元件,例如LNA、混频器和频率合成器,使用ADC和DAC桥接模数之间的鸿沟。随着产量增加,数字逻辑各部分经常被集成到一块特定的ASIC上,在某些情况下,为了与高集成度的RF解决方案一起使用,ADC/DAC也被集成到数字ASIC上。对于尺寸受限制的其它应用,例如手机和USB软件狗,模拟和数字功能模块需要被集成在一起,或者在一个系统中采用多芯片模块封装,或者采用单芯片。有许多不同的方法可以用来减小芯片面积和降低成本,而现在的发展趋势是随着产量的上升、芯片面积和成本下降。在某些情形下,成本为王,甚至可以牺牲RF性能(例如,一些WLAN消费应用),尽管用户可能没有认识到这一点。而在另一些情形下,芯片面积是关键,所以功能的集成度是驱动力。

成功的秘诀不止一条。各个企业凭借许多不同的集成方法和降低成本策略已经取得了成功。显然,开发方案的选择必须使电子材料成本(eBOM)、封装尺寸和上市时间最小。系统划分的灵巧设计对取得成功起到重要作用。

图1:混合电路中模拟和数字的传统划分方法。
图1:混合电路中模拟和数字的传统划分方法。

传统划分方法:上市时间风险
将混合信号电路集成到一颗数字ASIC上会带来许多实现难题,并且产生上市时间问题,更重要的是给产品带来了收益时间风险。即使混合信号内核已经单独得到验证,其性能却取决于集成环境。其中电源布线、寄生电容和工艺变化——这些对于纯数字芯片并不重要的问题——现在都变得格外重要。

从经过FPGA验证的纯数字设计到流片生产需要2~6个月的时间,主要取决于复杂度、设计流程和自动化工具。另一方面,完成混和信号设计到首次流片所需要的时间是数字设计的三倍——假设模拟内核是现成的且所选择的制造工艺适当且经过验证。由于信号幅度处于微伏范围的模拟电路对数百万个晶体管开关所产生的噪声特别敏感,所以需要特别关注并进行多次设计和布线检查,从而增加了流片生产周期和提供样片的时间。

问题并非无法克服。有多种方法可以用来减轻电路中的相互干扰,但这些方法都需要精心设计定制的掩模版图,它需要工程时间和资源。当然需要开发一套完整的可能超出工程团队能力范围的新的核心能力。

评估板的设计和布线也对器件的混合信号部分的性能有着重要影响。在参考设计板上的模拟I/O对外部噪声很敏感,所以设计的混合部分的电源布线需要高度隔离。除去模拟I/O会使噪声耦合问题减到最小,此外,可以解决来自不同厂家提供的模拟内核(例如,RF芯片和混合信号转换器内核)的接口问题。例如,一些现有的ADC内核推荐采用一个分立5V运放驱动缓冲器,以达到产品使用说明中规定的性能。对于采用更小线宽(例如130nm或90nm)工艺制造的调制解调器,当使用不同厂商的RF芯片时,必须减少信号摆幅和共模电平并加以匹配。这些附加的考虑还需要宝贵的工程资源。

为了争夺市场份额,在市场上屈居第二通常意味着必须大幅度削减产品价格。如果选择纯数字或FPGA设计流程则可以把产品大规模生产的时间缩短6~12个月。

获得功能正常的硅片仅仅是第一步——把混合信号IC投入生产却面临其自身的挑战。混合信号电路对一些工艺变化很敏感,例如门限、泄漏、材料电阻和其它工艺参数。通常,随着混合信号的性能降低,系统性能也将随之降低。

对于大规模生产的产品市场,具备多个制造基地的生产能力是确保及时供货和最优化成本的根本保证。相对于数字设计对制造厂的选择时无所谓而言,而将混合信号电路的生产转移到不同的制造厂则是很花费时间的,而且可能需要大面积的重新设计和优化技能。将资源与不同制造商的制造流程整合在一起通常是很困难的,尽管这些资源在其它地方却都用得很好。

传统划分存在的另一个重要问题是它需要一个成对匹配方法。换言之,因为ADC和DAC与RF部分是分离的,所以迫使两颗芯片和多个功能电路之间共同参与同一实时环路,例如自动增益控制和发射功率控制环路。为了最优化由分立器件构成的参考设计,要预先做一些重要工作。

以上这些模拟信号和混合信号设计所面临的挑战使系统级设计团队减少了对其核心竞争力的关注,并且可能推迟新产品投放市场的时间。

灵巧划分
随着RF CMOS工艺的成熟以及模拟和RF建模能力的进步,现在就有可能将数据转换器和其它混合信号模块集成到RF IC之中。下面将介绍为何在一些通信系统中用数字接口替代传统模拟基带接口,从而提供一种“灵巧”的系统划分方法。

这里推荐的划分方法包括对诸如RF系统级芯片之类的功能单元的适当划分,从而提供一套完整的从RF到数字转换的解决方案,其中包括控制环路所需要的全部功能,如自动增益控制、发射功率控制和RF校准环路。在射频前端引入控制环路不但便于使用而且更易于与不同数字基带物理层(PHY)调制解调器的混合和匹配。ADI/Q数字I/Q接口是为RF前端和数字基带之间的接口而提供的。该接口包含双向控制线和数据线,并支持互操作性且易于使用。实时软件控制的减少导致系统的设计更为简单。全部模拟信号和RF专用控制部分都被划分到RF前端。

通过降低单元成本来进一步降低开发成本
以高需求和大规模生产为特征的市场细分吸引着越来越多的公司进入市场。为了成功地确保领先地位和日益增加的市场份额,方案提供商需要重视芯片组的整个制造成本。灵巧分划分可以有效地降低芯片成本。

对于通信系统,例如WiMAX和宽带无线接入,至关重要的是消费价格点必须低于100美元。例如,用于ADSL和802.11g Wi-Fi的客户端设备(CPE)(20~30美元)随着价格下降产量急剧增加。新兴的市场如WiMAX也会经历类似的价格压力。预期到2007年中期,CPE终端用户的价格会降低到100美元以下。为了实现这项目标,芯片组的定价需要降低到20~25美元范围之内。这可能比目前的成本低许多,因此需要重大的改进才能确保在该市场价格条件下能产生可接受的利润。

从模拟RF到数字RF IC可以帮助我们实现这一转变。

图2:混合信号ASIC的设计周期时间
图2:混合信号ASIC的设计周期时间

对于现有工艺,混合信号ASIC设计成本比纯数字ASIC高,增加成本的原因有以下五个主要方面:

1. 对于一种特定的工艺,混合信号器件的制造工艺的成本本来就很高。混合信号工艺的特点是需要额外的处理步骤,例如更厚的氧化层、低门限器件和额外的注入。通常,混合信号的晶圆成本要比纯数字晶圆的成本要高20%。

2. 制造工厂需要投入大量资金以降低缺陷密度,从而获得接近97%~98%的高良率,这些都取决于裸片面积。另一方面,模拟电路IC的良率与设计本身有关。为了在对功耗指标做出折衷的条件下实现规定的性能,与数字设计相比,模拟电路的设计要在工艺变化范围窄的情况下达到技术指标的要求,这就导致其良率受参数限制,从而增加了混合信号设计成本。这方面将使混合信号设计成本增加了10%以上。

3. 从数字调制解调器中去除模拟功能单元可以简化生产测试的开发,并且对节省生产测试时间有所帮助。采用数字通用测试仪替代昂贵的混合信号测试仪可以把测试成本降低15%~20%。

4. 测试覆盖率工具允许数字设计工程师建立故障覆盖率扫描链,从而简化生产测试。然而,混合信号测试需要在几微伏范围内测量各种模拟技术指标。混合信号设计需要的测试时间至少是纯数字电路设计的五倍。在测试仪上并行处理可以缩短测试时间。假设采用一种积极的测试程序方法——混合信号器件的测试成本将会提高两到三倍。

5. 集成的数据转换器内核通常是由具有相关版权和/或一次性工程费用(NRE)的第三方和/或内部机构开发的知识产权。与纯数字ASIC解决方案的设计工具套件相比,混合信号设计所采用的设计和支持工具也是一笔附加投资。设计新的混合信号ASIC所需要的一套开发工具比纯数字ASIC所用工具要多50万美元以上。

图3:混合电路模拟和数字的灵巧划分方法
图3:混合电路模拟和数字的灵巧划分方法

此外,模拟电路不会像数字电路那样随着工艺线宽的缩小而成比例缩小。图4所示,混合信号IC的成本会随着特征尺寸的减小而增加。图中将成本曲线相对180nm纯数字ASIC的成本做了归一化处理。历史上,数字ASIC工艺特征尺寸每次从一代演进到下一代,其成本都会随之降低三分之一。与此相反,混合信号IC的成本随着混合信号裸片面积的减小反而增加。这是因为存在这样一个事实,即受噪声限制的模拟电路的成本不随光刻工艺线宽的减小而降低,而数字电路的成本会随着工艺线宽减小呈平方关系降低。

图4:灵巧划分所带来的的成本效益
图4:灵巧划分所带来的的成本效益

新工艺设备投资和制造工艺复杂度的增加导致每平方毫米的裸片成本出现一代比一代净增长的趋势。而数字电路的工艺尺寸成比例降低使每只晶体管的成本进一步降低。因为模拟电路的成本并不随着工艺尺寸减小而成比例地减小,所以混合信号产品总体成本开始时保持平稳,后来却随着工艺尺寸的减小而增大。

在大规模产品市场中,企业必须满足市场定价要求的同时保持价格竞争力,从而为投资者提供合理回报。如果一家公司的成本是一流竞争对手的两倍时,就必须迅速采取新的手段或新的策略。尽管与混合信号设计相关的所有挑战仍将继续存在,但灵巧电路划分的众多好处中也包括利用并不总是适合于模拟/RF电路的摩尔定律的所有优点来显著地降低系统成本。

除了每个器件成本的增加,没有选择最优工艺和较长的投放市场时间的机会成本都注定会影响项目的投资回报。准备就绪的模拟和混合信号内核的可用性要比数字工艺晚大约两年,或者差不多有一代的差距,而用于批量生产的内核要达到可用性大约需要四年时间,而灵巧划分方法可以使系统供应商根据其需要选择最优化工艺,而不受经过认证的模拟内核的可用性约束。机会成本与非最优化工艺的选择关系很大。例如,在宽带无线领域,制造商已经发布了90nm的内核设计。90nm数字SoC设计和130nm的产品之间的成本差距竟高达200%以上!而对于65nm的内核设计,成本差距可能高达多倍。

这里推荐的划分方法提供了一种将节省下来的时间和资源重点用到开发下一代产品的机会——从而可能研发出比竞争对手超前一代的产品投放市场,因为他们把有价值的资源耗费在解决混合信号ASIC设计的固有难题上。

向数字射频基带接口转移带来的性能优势
灵巧划分凭借在开发、支持和单位成本方面的成本优势能够提供高性能的系统解决方案。

对于具有高峰均比的OFDM系统来说,在RF器件上实现的高线性度以及在数字基带(DBB)上的先进同步和信道估计算法绝不能因受ADC和DAC的动态范围的限制而作出折衷。在存在噪声、信道衰落和干扰条件下,为了实现更好的性能,必须仔细考虑对裕量的管理。

随着对AGC环路的集成,ADC的动态范围能够与RF前端的能力相匹配,从而使像64QAM这样高的数据速率成为可能。因为DBB与RF芯片之间存在复杂的相互影响,所以许多供应商都在努力推出它们的参考设计。另外,他们利用像符号到符号AGC这样的先进技术来改进移动环境中常见的系统的信道衰落性能。与分立式AGC环路(例如,用两颗独立芯片实现AGC算法)不同,这里推荐的灵巧划分能够实现快速的AGC收敛,从而使DBB可以将更多时间用于信道估计和同步,从而把系统的性能改善许多个分贝,相当于进一步提高了系统的动态范围和传输速率。

为了消除来自相邻或相邻信道的信号干扰,需要采取滤波措施。为了解决这个问题,必须在滤波器的线性度和复杂度之间做出谨慎的折衷。对于低成本零中频(ZIF)体系结构,使用数字滤波器可以实现最终的信道选择性。滤波电路如同增益电路,必须分布在RF和后续数字滤波器之间。灵巧划分能够最优化模拟滤波和数字滤波之间的滤波要求,从而充分利用ADC的动态范围。

功耗也是移动系统的一项重要参数。数字芯片的功耗直接与电源电压的平方和栅极电容成正比。因此,对于从130nm向90nm的工艺的转移可以节省8倍的功率。而对于利用灵巧划分方法的DBB,在130nm工艺上功耗为1W~1.5W;当升级到90nm工艺时,其功耗大幅度减低到200mW。

本文小结
数字革命已经实现了利用精细线宽工艺集成百万门级电路的解决方案。这些SoC解决方案开发成本昂贵,并且投资回报压力巨大。为了取得成功,人们必须选择合适的市场,重点放在提高核心竞争力以低成本并及时地提供差异化的产品。为了把风险降到最小而相互合作并按照统一的计划表工作是极具吸引力的选择。

“从RF到数字”的射频系统的灵巧划分提供了取得成功的四项关键因素——高性能解决方案,把重点放在提高核心竞争力上,把功耗降到最小及最快的投放市场时间。

合适的模拟和数字功能划分解决了许多与在数字ASIC上集成模拟电路相关的问题,从而进一步加快了产品的投放市场时间并且延长了其在市场中的生存时间。它能够最优化系统以实现高性能。

对于拥有数字调制解调器和媒体访问控制器专门经验的数字基带芯片供应商来说,灵巧划分可以使他们把关键资源集中于能够进一步提高产品价值的任务和项目上。

对于大规模生产应用,工艺的选择是至关重要的。快速转向较新工艺的能力可以产生新的成本和性能点,从而带来竞争优势。灵巧划分方法正在被ADI公司多种标准产品制造部门所采纳,如移动手机的Digi-RF事业部,针对WLAN和WiMAX应用的JC-61事业部及各种专用系统中的应用。ADI公司提供的ADI/Q接口允许轻松地实现这种成本——性能优化策略。

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