隨著半導(dǎo)體制造能力允許在單塊芯片上集成數(shù)千門邏輯電路，系統(tǒng)級芯片(SoC)開始占據(jù)未來IC技術(shù)的中心。不過，當(dāng)今天人們在談?wù)揝oC時，他們實際談?wù)摰闹皇遣糠窒到y(tǒng)——僅是把數(shù)字基帶與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、一些高速模擬IO、甚至一些射頻電路集成在一起，只要它不會太復(fù)雜。

由于工藝技術(shù)的不兼容性，RF集成通常被認為是一種基本上尚未解決的SoC挑戰(zhàn)。在數(shù)字裸片上集成RF電路會限制良品率或?qū)е赂甙旱臏y試成本，從而極大地增加生產(chǎn)成本。

但問題比這更復(fù)雜和微妙。從SoC系統(tǒng)層面上來看，RF集成將給硬件器件的電路設(shè)計、物理實現(xiàn)及制造與測試帶來一些困難的開發(fā)挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，RF芯片設(shè)計者有了另一種選擇。CMOS制造工藝技術(shù)的最新發(fā)展克服了RF集成障礙，使開發(fā)者可以將RF處理移到數(shù)字域中。芯片設(shè)計者不必費勁去設(shè)計和實現(xiàn)模擬器件，相反，他們可以采用數(shù)字RF技術(shù)，并利用熟悉的工具和工藝來處理RF信號。

不可能只集成一種無線電

為了適應(yīng)手機或PDA的小外形尺寸，這要求在一塊芯片上同時集成數(shù)字、模擬及RF，否則成本與外形尺寸限制將阻礙手機配置新的功能。集成的無線電只有傳統(tǒng)無線電一半的硅面積，占有一半的板空間，消耗大約一半的功率。因此，無線電集成在滿足手機設(shè)計目標(biāo)方面提供了極大的優(yōu)勢。

圖1：跟蹤每個工藝節(jié)點的截止頻率可以評估哪些通信頻段能夠在數(shù)字域中進行處理。

讓我們來看看3G手機的數(shù)據(jù)處理要求。在數(shù)字域，用戶希望擁有更高分辨率的彩屏顯示器、需要額外存儲器與圖形資源的游戲、PDA應(yīng)用功能以及諸如照相、視頻會議及音頻播放等多媒體功能。在RF方面，一部手機集成好幾種無線電并非是不合理的，它們包括：

* 很多GSM手機都支持全部四個頻段——歐洲的蜂窩與DCS以及美國的不同蜂窩頻率與PCS
* 2.1 GHz的UMTS
* 用于定位與同步的GPS
* 用于PAN連接的藍牙
* 用于網(wǎng)絡(luò)連接的WiFi，如果是2.4 GHz 802.11b/g，則可共用藍牙無線電
* 數(shù)字電視(DTV)
* 數(shù)字音頻廣播與調(diào)頻廣播等

今天，板上的RF器件數(shù)已超過總器件數(shù)的一半，而且一種簡單的無線電就要占去手機印制電路板(PCB)40%的面積。如果靠增加無線電來支持藍牙、GPS及WLAN等功能，那么會顯著增大這些數(shù)字。盡管無線電能共用一些電路，但如果它們想要裝入一部設(shè)備中，則必須比它們今天的尺寸小。

存在的問題

集成數(shù)字、模擬及RF電路所遭遇的實際問題向那些對整體硅集成充滿熱情的人潑了一盆冷水。對于在SoC上集成復(fù)雜RF電路的設(shè)計來說，可用的EDA開發(fā)工具仍存在許多有待改進之處。

用于同時驗證數(shù)字與RF電路的工具仍處于發(fā)展的初期階段，更談不上同時對設(shè)計進行驗證與測試。其他局限還包括小器件的不良匹配、高1/f噪聲、以及缺少帶足夠模擬特征的片上無源器件(電阻、電容及變?nèi)?a target="_blank">二極管)等。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，集成仍然是使智能電話降低無線電設(shè)計的成本、功耗及復(fù)雜性的基本手段。為了使無線電集成成為現(xiàn)實，業(yè)界要求在晶圓工藝、系統(tǒng)設(shè)計及電路設(shè)計層面上有顯著的技術(shù)進步。盡管采用SoC的設(shè)計者并不關(guān)心許多SoC技術(shù)挑戰(zhàn)，但了解這些挑戰(zhàn)也很重要，因為它們決定了實際器件的能力與局限。例如，盡管使用雙極或BiCMOS工藝集成RF在技術(shù)上是可行的，但測試器件時的良率限制及高昂成本使得這些器件未必能實現(xiàn)大批量或商業(yè)生產(chǎn)。

集成硅鍺(SiGe) BiCMOS技術(shù)也是可能的做法。但硅鍺技術(shù)一般比先進的數(shù)字CMOS工藝落后1個或2個工藝節(jié)點。由于手機需要越來越多的處理資源，硅鍺工藝無法使數(shù)字部分(特別是存儲器)的裸片成本保持最低。

即使CMOS RF集成也有它的挑戰(zhàn)。模擬混頻器、濾波器及放大器等的實現(xiàn)都很困難，尤其隨著電壓下降，新工藝節(jié)點早期的器件建模一般都不足以達到模擬模塊設(shè)計所需的高精度參數(shù)建模。業(yè)界要求有重大的設(shè)計創(chuàng)新，從而允許無線電被集成在標(biāo)準的CMOS中，并充分利用CMOS技術(shù)的優(yōu)勢。

數(shù)字RF集成解決RF集成問題的一種不同方法是完全避免它們，這可通過將RF器件的功能轉(zhuǎn)換到數(shù)字域來實現(xiàn)。

通過在CMOS數(shù)字域處理RF信號，就沒有必要使用復(fù)雜且昂貴的模擬掩模。芯片設(shè)計也變得更加容易，因為開發(fā)者在仿真時可以更容易了解系統(tǒng)細節(jié)，并能通過整合可編程軟硬件元素來執(zhí)行處理，從而增強對信號處理過程的控制。

例如，從電源耦合到發(fā)射與接收壓控振蕩器(VCO)上的噪聲會影響整體系統(tǒng)效率。因此，大多數(shù)無線電路板設(shè)計都要求使用調(diào)節(jié)器及相關(guān)無源器件來解決此問題。將這些器件集成在無線電收發(fā)器中，意味著簡單的去耦電容是所需的、要求與電池直接相連的唯一外部元件，從而可簡化設(shè)計并節(jié)省板空間。

設(shè)計者還可選擇將數(shù)字調(diào)諧及自校準功能集成到VCO中，并通過集成環(huán)路濾波器來擴大VCO的調(diào)諧范圍。

為使數(shù)字電路能處理模擬信號，它們必須工作在極高的速度。器件截止頻率(Ft)是一種用來評價工藝處理RF信號能力的簡單方法(參見圖1)。