無線通信領域中的模擬技術（蜂窩基站）發展趨勢

目前，移動計算與通信設備很普通。數字電子技術的發展正是支持上述發展的驅動力，不過模擬電子技術發展也同樣重要，二者缺一不可。

每個人都希望在各方面能獲得更多實惠：體積更小、功能更多、用電更少、封裝更好、成本更低，等等。特性越豐富，自然就越好，為了滿足這一要求，今天的離散解決方案就是明天的集成解決方案。這就意味著更小、更省電、成本更低、可靠性更高這些因素將推動市場的發展。集成與創新是制造商獲得市場成功所必須實現的關鍵目標。

數字 “以 2 為基數”，也就是說信號不是一種狀態就是另一種狀態，不是“開”就是“關”，不是“真”就是“假”，不是“1”就是“0”，以此類推。

模擬信號在各種狀態中連續工作。模擬信號是世間萬物工作的方式，也是人類感官感知世界的方式。因此，要處理“現實”世界的光與聲等信號，就需要模擬信號處理。

在蜂窩基站中，數字電子技術執行許多復雜的功能，通常在軟件與固件控制下工作。而收發信號則需要模擬電子技術。數據轉換器用于將信號從一個領域轉換到另一個領域，即從數字轉換為模擬并從模擬轉換回數字。圖 1 顯示了發送 （Tx） 與接收 （Rx） 架構以及目前常用的相關半導體工藝。

發送側架構的基本功能是通過在 DSP（數字信號處理器）或 ASIC（專用集成電路）中運行“程序”生成數字域信號，隨后信號由被稱作 DUC（數字上變頻器）的專用數字電子設備進一步處理，再通過 DAC（數模轉換器）轉換為模擬信號，進行混合、過濾與放大，并通過天線發送。

接收側的過程剛好相反。天線接收的模擬信號通過模擬電子設備放大、混合并過濾，再通過 ADC（模數轉換器）轉換為數字。一旦成為數字格式，則信號首先由被稱為 DDC（數字下變頻器）的專用電子設備處理，然后再由 ASIC 或 DSP 處理。

許多蜂窩基站制造商都力圖增強系統性能并降低尺寸與成本。有兩種方法實現上述目標，一是功率放大器（PA）的線性化，二是電子設備的集成，近期就將朝這兩個方向發展。

手機（手持終端）已成功地集成了收發功能。這也是基站設計的目標，不過基站所需的性能水平要高得多，因此現在要實現目標還很困難。

PA 線性化

為了滿足頻帶外傳輸規范要求，PA（功率放大器）在較高的 A 類上工作，效率低于 10%。這需要大型器件以及大量電能。為了優化 PA 的尺寸與效率，我們正在開發線性化技術。

最簡單的 PA 線性化方法之一就是降低波峰因數。降低波峰因數壓縮了信號“峰值”并降低線性操作所需的平均功率。它也向信號添加“噪聲”，這樣所有可用的波峰因數降低約為 3dB，并仍可滿足 BER（位誤差率）的 EVM（誤差向量值）規范。不過，3dB 還是 3dB。

此外，PA 線性化技術更大的突破是可使信號預失真。預失真是 PA 線性化的“法寶”，有望使 PA 效率優于 25%。不過這也非常復雜，并要求了解 PA 失真特性--而該特性的變化方式非常復雜。該方法的基本思路是使 PA 預失真，這樣當傳輸信號經過PA 時就不會失真，并滿足傳輸屏蔽 （mask） 的要求。挑戰在于 PA 的失真（即非線性）特性會隨時間、溫度以及偏壓 （biasing） 的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，盡管能為一個器件確定特性并設計正確的預失真算法，但要對每個器件都進行上述工作在經濟上則是不可行的。為了解決上述偏差，我們須使用反饋機制，對輸出信號進行采樣，并用以校正預失真算法。

集成：常見功能與常見技術

蜂窩基站的另一發展趨勢符合人們對電子技術的期待，也就是集成更多功能。集成的目的在于讓功能模塊變得更小，降低功耗，減少成本并提高可靠性。

集成通常采取的第一步就是將多個部件放在一個封裝中。因此，我們的分集接收機采用一個雙功能部件，而不是采用兩個 ADC。另一種方法就是集成使用相同工藝技術的功能。因此，放大器與混頻器可以集成在一起。

架構發展是減少組件數量并提高性能的另一種方法。其實例之一就是使用正交調制器與解調器。

圖 2 顯示了包括 PA 線性化集成度更高的發送器。在該例中，波峰因數降低技術（CFR） 與數字預失真 （DPD） 都借助 DSP 或微處理器 （μC） 控制集成到單芯片中。為了實現分集，我們使用兩條發送路徑，并在一個部件中集成了多個 DUC。可以看出，正交調制需要兩個雙 DAC，而放大器也組合到調制器中。發送信號的采樣在 PA 進行，并像上面介紹的那樣反饋用于線性化目的。這基本上是一個接收路徑，帶有集成放大器與混頻級，一個封裝中有兩個 ADC。

圖 3 給出了帶有分集接收機集成度更高的接收機。每個信道都集成了 LNA（低噪聲放大器），帶有正交解調器、濾波功能、可變增益以及雙 ADC。通過使用正交解調，可用更簡單的 Nyquist 濾波器及抽選濾波器替代了 DDC 功能。

集成：數字與模擬

真正的挑戰來自在單芯片上混合數字與模擬功能。高頻數字邏輯會產生“噪聲”，“噪聲”通過電源、其他共用連接以及輻射狀的 （radiated） 路徑傳導。噪聲在模擬電路中至關重要，因為它決定著信噪比（SNR），而信噪比則是模擬系統中動態范圍的關鍵品質因素。高性能數字意味著邏輯速度快，高性能模擬意味著動態范圍高，將兩者放置在同一 PCB（印制電路板）上需要很高的工程設計技巧，在芯片級上進行集成會更困難。

盡管先進的模擬電壓最近成功地從 12V 下降到 5V 與 3.3V，不過他們很難再降低，達到數字內核電壓目前的水平。這是由于噪聲在工作電壓下降時不下降，因此模擬工作電壓必須保持在足夠的高度才能提供良好的 SNR。較低的電壓不足以提供高動態范圍模擬信號所需的性能空間。

最先進的數字工藝不包括高性能模擬組件。此外，最先進的數字工藝與最先進的模擬工藝之間在工藝特性尺寸上有很大差距。例如，德州儀器 （TI） 剛投產的最新型 DSP 采用了 C027 90nm 制造工藝，而 TI 最新高性能模擬工藝 HPA07 與 BiCom-III 則基于 350nm 的 CMOS 工藝。

模擬工藝的起點是穩定的數字工藝。不管數字工藝晶體管提供什么線性功能，都作為片上模擬功能。即使如此，在工藝早期階段，我們的重點仍是數字；而模擬功能只限于那些不需要額外工藝步驟或修改的項目。一旦工藝成熟并成功制造最新系列的高速邏輯產品，則數字工藝開發人員接下來就會開始下一工藝節點的工作，模擬組件設計人員就會努力采用該工藝推出更高的模擬功能。開發與改進模擬組件需要時間。高性能模擬工藝推出的時間通常比基本數字工藝的投產要晚幾年。

TI 的 HPA07 與 BiCom-III 先進模擬工藝建立在 350nm CMOS 工藝基礎上，該工藝最初開發用于數字組件。因此，二者都有著廣泛的數字庫。基本 CMOS 工藝的電源要求與速度使其目前不適用于領先的 DSP 與 ASIC。同時，工藝的成熟也使模擬組件設計人員能夠推出高度專業化的工藝，可滿足各種不同終端設備應用的不同產品需要。

HPA07

HPA07 精確模擬 CMOS 工藝為通信以及其他系統的低噪聲而設計，在上述應用中，模擬與高速數據功能必須共存，并須盡可能減小信號干擾。該工藝有助于模擬集成，實現了良好的邏輯門密度、較好的模擬組件性能，并提供埋層隔離使模擬信號免受高頻數字電路的干擾。

HPA07 集成了 5V 與 3.3V 數字邏輯器件以及存儲器，并添加了專門用于模擬功能的晶體管與無源組件。該工藝經過精心設計，符合噪聲、晶體管線性以及組件匹配與穩定性方面的高性能標準。它極其適用于運算放大器、ADC、DAC、電壓參考與穩壓器以及儀表放大器。HPA07 還可實現多達 40 個組件的靈活設計，同時還以相當少的屏蔽使成本保持在可控范圍之內。

HPA07 CMOS 晶體管噪聲與失真都很低，它們采用掩埋信道 PMOS 技術制造，為此類器件實現了極高的增益帶寬/噪聲比。帶有很低溫度系數的激光微調硅鉻 （SiCr）薄膜電阻器可在整個工作溫度范圍內實現穩定性。晶圓的單獨處理可實現 16 位初始 （initial） 電阻器匹配，比業界典型情況多出四位。它還具有漏極擴展 （drain-extended） CMOS 晶體管，可為高振幅信號應用處理高達 30V 的電壓。

此外，HPA07 提供了電壓系數提高 4 倍的金屬-絕緣體-金屬 （MIM） 電容器，并提供了高精度 TiN 聚合物 （TiN-Poly） 電容器、較厚的銅金屬路由層與存儲器。這些特性使模擬工藝能夠推出高精度集成產品。

OPA300 與 OPA301 只是該工藝生產的眾多產品中的最初產品而已。它們具有 150MHz 的單位增益帶寬、3nV/√Hz 的低電壓噪聲以及 30ns 內 0.1% 的建立時間。OPA300 采用工作電壓為 2.7V （±1.35V） 至 5.5V （±2.75V） 的單電源供電，并具有關機功能，可將電源電流降低至 5μA，這對便攜式低功耗應用非常有用。它們為驅動高速 SAR ADC 提供了低功耗單電源解決方案，同時還不影響性能。

BiCom-III

BiCom-III 是一種硅鍺 （SiGe） 工藝，為超高精度模擬集成電路而開發。它是一種電介質絕緣的硅 （Si） 基工藝，并在基區加鍺 （Ge）。基區加鍺大大提高了載流子遷移率，實現了極快的瞬態時間。該工藝實現了真正互補的雙極 NPN 與 PNP 晶體管，傳輸頻率 （fT） 為 18GHz，最大頻率 （fmax） 為 40-60GHz。互補晶體管可實現 AB 類放大器級，這對設計高速、高性能模擬電路至關重要。該工藝實現的速度是較早工藝的三倍。

高速模擬設計技術的其他優勢在于：金屬-絕緣體-金屬 （MIM） 電容器電壓系數很低、電阻匹配極佳 （0.1%）、電介質絕緣 （DI）（也稱作絕緣硅 （SOI））。該工藝技術降低了寄生電容，并為增大的線性度生成很高的晶體管電流與增益爾利 （early） 電壓乘積（β×VA）。

BiCom-III 工藝先進性能的實例之一是 THS4304。它是首款單位增益穩定的 3GHz電壓反饋運算放大器。它設計用于高性能高速模擬信號處理鏈中，在 +5V 單電源下工作。

THS4304 可提供 3GHz -3dB 的單位增益帶寬、830V/μs 的轉換速率、+45dBm 的三階輸出截取 （OIP3）@20MHz、2.8nV/√Hz 輸入噪聲以及 7.5ns 建立時間內達到 0.01%，與此同時僅消耗 90mW 的靜態功率。

要想了解 THS4304 獨樹一幟的性能，不妨將它與圖 4 所示的主要 （premier） ±5V 運算放大器進行比較。競爭產品 X 對小至 +2V/V 的增益進行內部補償，許多設計人員都認為它是現有失真最低的 ±5V 運算放大器之一。

該圖顯示了在 5V 電源下工作的 THS4304 與在 ±5V 電源下工作的競爭部件的二階及三階諧波失真 （HD2 & HD3） 性能。每個放大器的增益都是 +2V/V，將 2Vp-p 傳動到 100Ω 負載。請注意，盡管 THS4304 對單位增益 （G=+1V/V） 進行補償，且所需的補償要高于就 G=+2V/V 的補償情況，但在電源電壓減半的情況下仍然具有極佳的失真性能。

結論

新型工藝技術正推動用于蜂窩基站的高性能組件的集成。這一推進力量與拓撲及創新型設計解決方案（如正交調制器與解調器）方面的進步以及 PA 線性化技術的結合，將降低成本、降低功耗需求、減小尺寸、提高可靠性，使未來的基站在尺寸上更小巧。要在單個器件上集成所有數字與模擬功能，工藝技術還有很長的路要走，而要想以低成本實現上述目的，則要走的路還更長。

作者簡介：

James Karki 是德州儀器高速放大器與 RF 戰略市場營銷經理以及實驗室研究組成員。他在模擬與數字電子技術方面擁有超過 26 年的經驗，過去七年來一直在 TI 的放大器應用與新產品定義領域工作。他畢業于華盛頓州西雅圖的華盛頓大學，獲 BSEE 學位。