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摘要:CMOS制造工艺过去主要用于数字器件，并在此市场取得绝对优势。但在强大的需求带动下，CMOS技术也不断进步，目前已能提供更高集成度、更低功率消耗和更快工作速度，其应用已经扩展到GSM/GPRS移动电话模拟射频电路领域。本文介绍两个应用于移动电话市场的射频器，及通过CMOS技术实现高集成度射频电路的发展趋势
介绍
CMOS技术是半导体市场最主要的制造工艺，包括存储器、微处理器和数字信号处理器在内，计算机和其它消费类电子应用的数字器件都采用CMOS制造工艺。
随着数字时钟频率逐渐接近和超过GHz范围，CMOS技术在射频组件领域又开拓了新的应用机会，例如以太网络收发器、磁性数据读取信道（magnetic
read channels）、无线局域网络收发器、频率合成器和压控振荡器以及最近的GSM/GPRS移动电话收发器，它们都是首先采用特殊的制造工艺，例如SiGe、BiCMOS或GaAs，然后再成功转移到CMOS工艺的产品；无论最终应用为何，CMOS工艺的高集成度和高产量的优点都是强大的推动力量，可以取代目前的制造工艺。
CMOS可在单颗管芯上同时实现混合信号模拟和数字功能，这为设计人员带来新的机会，将射频架构最佳化，达成更高功能集成度的目标。
CMOS制造工艺
在主流的消费类电子市场，几乎所有数字IC都采用CMOS制造工艺。计算机、移动电话等消费类产品都包含数字IC，例如内存、微处理器和数字信号处理器等，由它们负责数据的处理和储存。另一方面，模拟电路的集成却比较困难，如功率放大器、开关组件和调谐滤波器等，因为它们必须处理更大功率，并且对噪声更敏感。模拟IC的数量比数字IC少很多，通常也需要一些特殊的制造工艺，例如SiGe、BiCMOS或GaAs。
表1 不同工艺线宽的CMOS电路设计特性(略)
表2 不同射频组件制造工艺的部分重要参数(略)
消费类电子产品需要体积更小、成本更低的数字IC，这股力量不断推动CMOS制造工艺发展，使其更适合复杂的数字电路。CMOS IC管芯的最大晶体管数目约每18个月成长一倍，这就是"摩尔定律"（Moore's
Law）。摩尔定律认为CMOS IC的成本、功耗、速度管芯将不断改进，特殊制造工艺的发展也会遵守类似规律，只不过它们的最大晶体管密度多半落后CMOS工艺一两代。
表一是不同工艺线宽的CMOS电路设计特性，在数字电路中，芯片的大小与各工艺的线宽平方值成比例变化，参数K代表栅极电容大小，用来计算特定频率下的功率消耗；从表中可以看出，在最小供应电压时，功率消耗增加速度高于线宽平方值。表中将0.18微米工艺的供应电流I
= K/Vdd定为1 mA。
图1 传统GSM移动电话的射频方块图，同时需要CMOS和SiGe BiCOMOS(略)
图2 Silicon Labs采用全CMOS制造工艺的Aero GSM/GPRS收发器功能方块图(略)
图3 Silicon Labs的Aero GSM/GPRS收发器功能(略)
表二列出部份重要参数，用来比较目前已投入实际生产的不同制造工艺。从表中资料可以看出，所有技术的晶体管截止频率都很高，足以支持射频组件设计，但CMOS工艺只须最少光罩处理步骤，却可提供最高功能集成度和最大产能，它还能同时支持模拟和数字电路，使工程师得以设计独特的混合信号IC组件；除此之外，CMOS组件生产也可交给多家晶圆代工厂商，不必依赖少数的晶圆厂。
IC复杂性和性能随着摩尔定律不断增加，晶圆厂的建造与维护成本也跟着上升，此时若能通过生产外包，就可以利用最新的制造工艺设计高效能CMOS器件，而不必为了兴建和维护晶圆厂而付出庞大成本。
移动电话用CMOS射频组件
在无晶圆厂营运模式和大学研究计划推动下，CMOS器件应用范围不断扩大，例如以太网收发器、磁性数据读取信道、无线局域网收发器、频率合成器、压控振荡器和蓝芽收发器，以及最近的GSM/GPRS移动电话收发器，它们都是首先采用特殊制造工艺，例如SiGe、BiCMOS或GaAs，然后再成功转换至CMOS工艺的产品；即便是速度10
Gbps或更快的高效能光收发器，目前也开始采用CMOS制造工艺。
图1是传统GSM移动电话的射频方块图；在发射阶段，声音信号先由基带进行数字化、调变和编码处理，然后由射频收发器进行升频转换，再由功率放大器放大信号功率、最后经由开关组件送至天线。在接听时，来自天线的信号会通过开关组件和带通SAW滤波器，然后由无线收发器放大信号和进行降频转换，最后由基带进行解调，再转换成模拟接收信号。基带主要执行数字功能，大都采用CMOS制造工艺；收发器则以模拟功能为主，多半使用SiGe
BiCMOS工艺；开关组件、功率放大器和SAW滤波器通常使用压电材料、离散元件和可处理2 到3 W较高功率的IC器件。
全CMOS高集成度射频电路发展趋势
全球对低成本高性能移动电话的需求，使得高集成度的移动电话射频组件成为发展趋势。多家厂商也推出前端模块，把天线开关和SAW滤波器集成到同一个封装内，这不但可以作为移动电话前端设计的替代组件，还可将射频部份最脆弱组件内的噪声源完全消除；此外，功率放大器模块的发展也采用前端模块和开关兼容技术，将来这些产品上市时，很可能会集成到同一个封装内。
功率放大器和前端模块必须处理较大功率的信号，这与收发器的精准相位噪声和线性要求并不兼容，因此两者间自然存在一条功能分割线；采用SiGe或BiCMOS工艺的模拟收发器通常也不兼容于基带中的数字电路，这又形成另一个功能分割点。
新技术采用全CMOS工艺来制造整片GSM收发器，包括传统上很难集成的模拟电路，例如压控振荡器，这将打破传统的射频功能分割方式。短期而言，CMOS
GSM收发器为客户带来CMOS工艺的高集成度和高产能优点；长期来看，CMOS工艺可以用最佳方式分割基带和射频功能，使客户最终得到集成度极高的射频单元。
高集成度射频组件
在移动电话市场上，Silicon Laboratories已经在提供CMOS射频组件。Silicon Labs于1999年推出的Si4133G射频频率合成器和射频CMOS技术广泛用于GSM/GPRS、802.11b以及W-CDMA和其它3G应用。利用CMOS射频频率器技术，Silicon
Labs 2001年推出GSM移动电话CMOS收发器，称为Aero芯片组，并为全球主要手机制造商采用。
图2是Aero收发器功能方块图，全部的锁相回路都已集成到Si4133T，包括压控振荡器和回路滤波器，这和Si4133G架构非常类似。例如发射器集成了补偿式锁相回路（offset
PLL）的所有主要元件，包括发射电路的压控振荡器。接收器则整合了三个低噪声放大器、降频转换混波器和一个低中频模拟数字转换器（low-IF
ADC）。基带部分的接口电路，包括数字降频转换和频道滤波器，则集成到Si4201芯片，它兼容所有主要厂商的基带电路。这三个芯片都采用100%的CMOS制造工艺。
Aero收发器是功能整合度极高的收发器芯片组只须25个元件，即可实现一套完整的三频带GSM/GPRS收发器。此外，Aero收发器还采用灵活的三芯片架构，它为射频和基带接口最佳化奠定了基础，可利用CMOS工艺逐步实现更高程度的功能集成。
未来的射频集成
随着CMOS制造工艺不断进步，元器件功能集成度也会跟着提高；此外，由于射频和基带采用同样的制造工艺，因此若能以最佳方式分割射频和基带功能，即可进一步提高功能集成度。
图3是实现进一步功能集成的一种短期做法。目前Silicon Laboratories正与主要基带厂商合作，将Si4201全部功能集成到至基带部分，这可为基带省去不必要的模拟数字转换器，进而将基带的功耗减至最小。基带的时钟和自动频率控制功能由Si4134T频率合成器提供，它包含数字石英振荡器（DCXO）功能。
结论
采用全CMOS工艺的射频芯片已开始出现在GSM/GPRS移动电话中，为制造商提供革命性的低成本、高性能和高产量。CMOS技术带来新的空间，使厂商能在未来推出集成度更高的移动电话。
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