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手记用IC技术发展现况及未来趋势

发布时间:2007/8/30 0:00:00 访问次数:400

若以系统标准、产品功能、与技术状况三个层面探讨移动电话的产品趋势,可大致归纳如下:就系统标准而言,观察2002-2003年,全球移动电话的主流系统已由2G的GSM升级到了2.5G的GPRS,且已缓慢伸向3G的W-CDMA或cdma2000标准。

就产品功能而言,移动电话已由语音导向发展至资料及多媒体导向,而各大手机厂早已竞相推出结合彩色面板、双屏幕、和弦铃声、及数字相机的产品。就技术状况而言,随着高频半导体制程之演进,射频与中频部份、以及基频与信号处理部份已分别整合成功,大幅减少了离散零组件的使用量。手机用关键IC产品主要包括功率放大器(PA)模块、射频收发芯片(RF Transceiver)、内存、基频芯片组+DSP、CCD/CMOS感测IC等。下面就手机用功率放大器(PA),RF Transceiver, 基频芯片组+DSP进行一下现况与趋势的分析。

    功率放大器的制程主要分成两种,一为硅(Si)制程,另一为砷化镓(GaAs)制程。硅制程又分成BJT与MOSFET制程两种,虽然高频特性不佳,但成本较低,故常用于1GHz以下的应用,而砷化镓制程又可细分成MESFET、HBT、以及PHEMT三种,其中HBT (Heterojunction Bipolar Transistor,异质接面双极晶体管)较为常见,主要优势在于面积较小、功率密度较高、线性及工作效率较佳等。功率放大器厂商在设计上需要研发人员拥有强大的电磁学知识与射频通讯经验、及模拟信号与混合信号(Mixed Mode Signal)的电路设计能力。制造商为降低成本需能突破高频半导体制程(如砷化镓之HBT、pHEMT制程等)的良率瓶颈,测试面厂商更需兼具丰富的阻抗匹配经验与电路调校能力。

    综括来说,手机用功率放大器的技术趋势大致为工作效率的提升、闲置时耗电量的降低(即电源管理)、周边匹配电路的整合与模块化、以及多重系统兼容度(如3G/GPRS/GSM、PHS/GSM等),其中电源管理功能亦可纳入基频芯片组之中。

图一为RFMD最新推出的PA模块及其应用电路图,该组件除了GSM/DCS/PCS功率放大器外,更内含一组智能型电源控制(Power Control)电路,可提供60%以上的工作效率,尺寸仅为7×7×0.9 mm。

    随着高频半导体制程的进步,射频收发芯片已将周边的LNA、混波器、中频滤波器、除频器、VCO、以及PLL,甚至ADC、DAC等整合于同一封装中。当然,这些周边组件仍可以以分离式组件的形式存在,也因射频电路依射频收发芯片的选择而可有各式各样的组合方案,端视系统厂商的需求。

    射频收发芯片的主要制程包括CMOS、SiGe HBT、GaAs等,其中 SiGe HBT与GaAs的高频特性较佳但价格昂贵、CMOS则较便宜。图二为Silicon Lab最新推出的Aero I+射频解决方案,采用该公司最新的GSM/GPRS双频/三频用Si4206射频收发芯片。Si4206单芯片采用CMOS制程,大小只有8×8mm,内建了LNA、混波器、中频滤波器、PLL、ADC与DAC等组件,其最大特色在于以体积较小,仅需外加一颗石英晶体(Crystal)的数字控制振荡器(Digitally-Controlled Crystal Oscillator;DCXO)便可取代传统VCO模块,是一颗功能强大的零中频芯片。表一为使用上述解决方案可省却的零组件数与电路面积,由表可知,该方案比传统者减少了75%的电路面积以及85%的零组件数目。
    相比于GSM射频收发芯片的全面零中频化,3G手机的CDMA射频收发模块由于系统复杂度偏高,因此在零组件数目的缩减上步伐相对较慢,直至2003年初方有Qualcomm等射频芯片大厂推出相关产品,然而芯片的耗能与散热问题仍亟待克服。不过总括来说,零中频与模块化仍是未来手机用射频收发芯片必然的技术趋势。

    由于基频微处理器(Micro-Processor Unit;MCU)与DSP有部分功能重叠,故近来已有MCU+DSP的单芯片解决方案问世,如图三即为ADI所推出的GSM/GPRS用数字基频处理器AD6526,该单芯片几乎纳入所有基频组件,包括MCU、DSP、影像处理器、语音Codec、SRAM等。

    另外,由该图亦可一窥基频电路的周边全貌,例如连接器接口、SIM卡接口、资料接口、外接内存接口、按键与背光接口、显示器接口、语音接口、铃声接口等,且例如数字相机、蓝芽、GPS等附加功能亦可透过基频芯片的延伸接口进行操作。

    在制程方面,由于基频电路的信号已经过间接或直接降频,信号频率顶多在MHz等级,不需要GaAs、SiGe等高频半导体制程,因此皆采用一般的硅制程。

发展手机用基频芯片组与DSP的关键在于对周边各IO接口需有全面的了解,比方对LCD面板、SIM卡、电声组件、按键、数字相机、及内存等的逻辑双向沟通(参见图三)。实际上,开发一颗基频单芯片或包含DSP的基频芯片组,就如同开发一颗全双工且功能复杂的高速微处理器(MCU),加上韧体与软件的工程浩大,一般系统厂也不会轻易更换,故产品与市场之开拓难度更甚于射频的功率放大器与收发芯片,将是国内

若以系统标准、产品功能、与技术状况三个层面探讨移动电话的产品趋势,可大致归纳如下:就系统标准而言,观察2002-2003年,全球移动电话的主流系统已由2G的GSM升级到了2.5G的GPRS,且已缓慢伸向3G的W-CDMA或cdma2000标准。

就产品功能而言,移动电话已由语音导向发展至资料及多媒体导向,而各大手机厂早已竞相推出结合彩色面板、双屏幕、和弦铃声、及数字相机的产品。就技术状况而言,随着高频半导体制程之演进,射频与中频部份、以及基频与信号处理部份已分别整合成功,大幅减少了离散零组件的使用量。手机用关键IC产品主要包括功率放大器(PA)模块、射频收发芯片(RF Transceiver)、内存、基频芯片组+DSP、CCD/CMOS感测IC等。下面就手机用功率放大器(PA),RF Transceiver, 基频芯片组+DSP进行一下现况与趋势的分析。

    功率放大器的制程主要分成两种,一为硅(Si)制程,另一为砷化镓(GaAs)制程。硅制程又分成BJT与MOSFET制程两种,虽然高频特性不佳,但成本较低,故常用于1GHz以下的应用,而砷化镓制程又可细分成MESFET、HBT、以及PHEMT三种,其中HBT (Heterojunction Bipolar Transistor,异质接面双极晶体管)较为常见,主要优势在于面积较小、功率密度较高、线性及工作效率较佳等。功率放大器厂商在设计上需要研发人员拥有强大的电磁学知识与射频通讯经验、及模拟信号与混合信号(Mixed Mode Signal)的电路设计能力。制造商为降低成本需能突破高频半导体制程(如砷化镓之HBT、pHEMT制程等)的良率瓶颈,测试面厂商更需兼具丰富的阻抗匹配经验与电路调校能力。

    综括来说,手机用功率放大器的技术趋势大致为工作效率的提升、闲置时耗电量的降低(即电源管理)、周边匹配电路的整合与模块化、以及多重系统兼容度(如3G/GPRS/GSM、PHS/GSM等),其中电源管理功能亦可纳入基频芯片组之中。

图一为RFMD最新推出的PA模块及其应用电路图,该组件除了GSM/DCS/PCS功率放大器外,更内含一组智能型电源控制(Power Control)电路,可提供60%以上的工作效率,尺寸仅为7×7×0.9 mm。

    随着高频半导体制程的进步,射频收发芯片已将周边的LNA、混波器、中频滤波器、除频器、VCO、以及PLL,甚至ADC、DAC等整合于同一封装中。当然,这些周边组件仍可以以分离式组件的形式存在,也因射频电路依射频收发芯片的选择而可有各式各样的组合方案,端视系统厂商的需求。

    射频收发芯片的主要制程包括CMOS、SiGe HBT、GaAs等,其中 SiGe HBT与GaAs的高频特性较佳但价格昂贵、CMOS则较便宜。图二为Silicon Lab最新推出的Aero I+射频解决方案,采用该公司最新的GSM/GPRS双频/三频用Si4206射频收发芯片。Si4206单芯片采用CMOS制程,大小只有8×8mm,内建了LNA、混波器、中频滤波器、PLL、ADC与DAC等组件,其最大特色在于以体积较小,仅需外加一颗石英晶体(Crystal)的数字控制振荡器(Digitally-Controlled Crystal Oscillator;DCXO)便可取代传统VCO模块,是一颗功能强大的零中频芯片。表一为使用上述解决方案可省却的零组件数与电路面积,由表可知,该方案比传统者减少了75%的电路面积以及85%的零组件数目。
    相比于GSM射频收发芯片的全面零中频化,3G手机的CDMA射频收发模块由于系统复杂度偏高,因此在零组件数目的缩减上步伐相对较慢,直至2003年初方有Qualcomm等射频芯片大厂推出相关产品,然而芯片的耗能与散热问题仍亟待克服。不过总括来说,零中频与模块化仍是未来手机用射频收发芯片必然的技术趋势。

    由于基频微处理器(Micro-Processor Unit;MCU)与DSP有部分功能重叠,故近来已有MCU+DSP的单芯片解决方案问世,如图三即为ADI所推出的GSM/GPRS用数字基频处理器AD6526,该单芯片几乎纳入所有基频组件,包括MCU、DSP、影像处理器、语音Codec、SRAM等。

    另外,由该图亦可一窥基频电路的周边全貌,例如连接器接口、SIM卡接口、资料接口、外接内存接口、按键与背光接口、显示器接口、语音接口、铃声接口等,且例如数字相机、蓝芽、GPS等附加功能亦可透过基频芯片的延伸接口进行操作。

    在制程方面,由于基频电路的信号已经过间接或直接降频,信号频率顶多在MHz等级,不需要GaAs、SiGe等高频半导体制程,因此皆采用一般的硅制程。

发展手机用基频芯片组与DSP的关键在于对周边各IO接口需有全面的了解,比方对LCD面板、SIM卡、电声组件、按键、数字相机、及内存等的逻辑双向沟通(参见图三)。实际上,开发一颗基频单芯片或包含DSP的基频芯片组,就如同开发一颗全双工且功能复杂的高速微处理器(MCU),加上韧体与软件的工程浩大,一般系统厂也不会轻易更换,故产品与市场之开拓难度更甚于射频的功率放大器与收发芯片,将是国内

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