GSM前端中下一代CMOS開關(guān)設(shè)計(jì)(04-100)

　　GSM功放工作在飽和方式，輸出功率可達(dá)2W，PAE也很高，約為60%，由于手機(jī)的總消耗電流有一半來自功放，因此高效率對它的電池壽命是至關(guān)重要的。然而，高PAE又易受高插入損耗的不良前端體系結(jié)構(gòu)的影響。例如，一個(gè)PAE為60%的放大器，基功放與天線間的插入損耗是1.5dB，那么它的有效APE僅為42.5%。開關(guān)電路中的任何附加電流消耗將進(jìn)一步降低有效PAE。

　　眾所周知，GSM手機(jī)的輸出功率要求很高，達(dá)+33dBm±2dB，因而對前端的線性度也提出了極其苛刻的要求。線性度是利用諧波抑制來規(guī)定的，要求規(guī)定在12.75GHz的頻率范圍內(nèi)，基波的所有諧波應(yīng)抑制到低于-30dBm。

　　為了保持低插入損耗，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，未使用路徑通常具有較高隔離度。但對3頻帶或4頻帶手機(jī)，由于GSM TX頻帶和GSM850 RX頻帶是重疊的，PCS TX頻帶和DCS RX 頻帶是重疊的，因此又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)特殊的問題。在發(fā)射期間，RX帶通濾波器并不能對通過開關(guān)漏入的發(fā)射信號提供任何衰減。要想保護(hù)跟隨在RX濾波器之后的LNA，開關(guān)本身必須提供至少35dB的隔離度。

　　GSM標(biāo)準(zhǔn)明文規(guī)定的還有開關(guān)時(shí)間要求。發(fā)射與接收之間的停留時(shí)間為28ms。當(dāng)從RX開關(guān)至TX時(shí)，10mS內(nèi)不能發(fā)送信號，以便完成開關(guān)動(dòng)作。盡管有10mS時(shí)間，設(shè)計(jì)人員寧愿將開關(guān)時(shí)間設(shè)定在1-5mS之間，確保開關(guān)在TX發(fā)射前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，一旦功放工作，開關(guān)還應(yīng)符合諧波抑制要求。從TX到RX規(guī)定的開關(guān)時(shí)間是相同的。

　　由于前端開關(guān)直接連接到天線，開關(guān)的又一個(gè)艱巨任務(wù)是要有強(qiáng)ESD承受能力。根據(jù)IEC1000-4-2規(guī)范，手機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)能承受±16KV空氣放電。這類ESD模型相當(dāng)于330W電阻與150pF電容的串聯(lián)，比人體模型更易損壞。開關(guān)本身要具有這個(gè)強(qiáng)度，否則，要另加保護(hù)元件。

　　一旦上述技術(shù)要求都已圓滿解決，前端開關(guān)解決方案還附加有尺寸和高度的約束條件。面積和高度兩者都有嚴(yán)格的限制，其高度不得超過1.5mm。由于前端開關(guān)通過集成在多層襯底中(如LTCC低溫共燒陶瓷)，已建立的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格因子為減少體積提供了可依據(jù)的路線圖。考慮到ASM(天線開關(guān)模塊)是無線電部分最高的封裝，因此可縮小ASM尺寸的種種技術(shù)備受手機(jī)生產(chǎn)廠商的青睞。LTCC具有在襯底中高品質(zhì)因數(shù)無線集成的能力，但增加無源元件需附加的LTCC層，從而增加了模塊的厚度。功放諧波濾波器可集成在襯底上，而頻率隔直電容和ESD保護(hù)不得不放置在模塊的外部。某些ASM在LTCC頂部集成有CMOS譯碼器以及SAW濾波器。

　　符合GSM手機(jī)技術(shù)要求有多種開關(guān)技術(shù)，且各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這些技術(shù)在下面詳加討論。

　　開關(guān)解決方案

　　上世紀(jì)七十年代，PIN二極管的出現(xiàn)標(biāo)志固體開關(guān)行業(yè)的誕生。PIN二極管具有極低的插入損耗和諧波器畸變，仍然是ASM的主導(dǎo)技術(shù)。然而，PIN二極管存在著自身的缺陷，不能構(gòu)成完整的ASM。為了偏置二極管，模塊需設(shè)置隔直電容和供電電感。為了制作多刀開關(guān)，又需用四分之一波長的二極管串、并聯(lián)組合(見圖1a)。LTCC中，900MHz的四分之一波長相當(dāng)于幾個(gè)厘米，這些傳輸線增加了二極管基ASM的尺寸。