高性能、高集成度的TD-SCDMA模擬基帶集成電路

　　作為中國原創(chuàng)技術，與WCDMA及CDMA2000并列的第三代移動通信標準——TD-SCDMA技術已步入實用化階段。隨著TD-SCDMA產業(yè)聯(lián)盟的成立和發(fā)展，以產業(yè)聯(lián)盟為核心的覆蓋集成電路、設備、系統(tǒng)、終端和科研的產業(yè)鏈已基本形成。隨著TD-SCDMA試驗網在北京、成都、重慶三地開通和現(xiàn)場測試的開展，對TD-SCDMA的發(fā)展已無多少懸念。然而TD-SCDMA的各種技術優(yōu)勢并不能夠解決其技術形成晚的問題，國內的TD-SCDMA的產業(yè)化和商業(yè)化均無法與WCDMA和CDMA2000相比，特別是在集成電路研發(fā)方面。

　　TD-SCDMA手機終端的核心由射頻(RFIC)、模擬基帶(ABB)和數(shù)字基帶(DBB)組成?，F(xiàn)今手機通常采用雙芯片解決方案，即射頻芯片和基帶芯片。前者涵蓋了射頻接收、發(fā)射、頻率合成和功率放大等功能，后者則包含了模擬基帶和數(shù)字基帶功能，分別實現(xiàn)信號處理和協(xié)議處理?，F(xiàn)在獨立的ABB芯片已不多見，如Maxim公司的MAX19700。但在產業(yè)化初期階段，研發(fā)TD-SCDMA專用的ABB芯片仍然有意義。

　　首先DBB芯片是一款純數(shù)字芯片，因此DBB芯片可以隨著CMOS制造工藝的演進而演進，而ABB芯片作為一款典型的混合信號芯片，其成本對工藝并不敏感。其次集成基帶解決方案主要是為了降低終端設計難度和制造成本，但如果能夠合理分配功能，提高各自的集成度，分離的解決方案同樣具備競爭力。同時分離方案有利于降低各自的研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期、加快實用化進程，在現(xiàn)階段對于TD-SCDMA這樣的新興技術是可行和有利的。為此捷頂微電子(上海)有限公司推出了一款TD-SCDMA終端專用的ABB芯片——AS2003。

　　AS2003是一顆高性能、高集成度的TD-SCDMA終端專用ABB信號處理芯片，其內部架構見圖1。芯片中集成有多路中頻信號數(shù)模和模數(shù)轉換電路、中頻信號放大器、低通濾波器、多路輔助數(shù)模轉換電路和單路帶選通開關的多路輸入輔助模數(shù)轉換電路。此外AS2003還集成了完整的音頻處理電路和輔助電源管理電路，包括帶雙路輸入和雙路輸出的單聲道音頻編解碼器，音頻功率放大器，可用于電池電壓或溫度信號檢測的輔助模數(shù)轉換電路、開關機檢測電路和低電壓監(jiān)測保護電路，集成的實時時鐘可提供豐富的定時功能。采用1.8/3.0V供電的AS2003有著優(yōu)秀的信號處理性能和極低的功耗，收發(fā)通道電路工作的典型電流僅10mA，在關機和實時時鐘工作時，工作電流僅有5uA，可明顯延長終端的通話時間和待機時間。Mini-BGA的封裝和極少的外圍被動元件需求可有效節(jié)省PCB面積、簡化終端設計、降低成本。

　　AS2003的實現(xiàn)

　　ABB芯片最基本的功能就是實現(xiàn)對正交中頻信號的模數(shù)/數(shù)模轉換，因此需要雙路ADC處理RF芯片輸出的正交模擬I/Q中頻信號、雙路DAC處理DBB芯片生成的正交數(shù)字I/Q中頻信號。這些ADC和DAC要有合適的采樣和轉換精度及速率、高信噪比、高無雜散動態(tài)范圍、優(yōu)良的相位和增益匹配度。

　　圖1：AS2003內部架構示意圖

　　AS2003采用雙路10位ADC和雙路10位DAC，支持最高5.12Msps采樣頻率的設計。當輸入640kHz模擬中頻信號，采樣率為5.12Msps時，ADC的SINAD達到54.9dB，SFDR可達78dBc。配合集成的全差分輸入放大器，I/Q通道的相位匹配度可達±0.22°，增益匹配度為±0.02dB。

　　在中頻發(fā)送電路部分集成了一可選通的帶寬640kHz的低通濾波器，其旁瓣抑制大于55dB。當?shù)屯V波器工作時，DAC的阻帶抑制大于55dB，典型的I/Q通道的相位匹配度可達±0.16°，增益匹配度為±0.05dB，并可通過調節(jié)輸出共模電壓來調節(jié)I/Q信號的失調。

　　ADC和DAC共享的高速數(shù)據總線，在滿足TD-SCDMA時分雙工(TDD)工作模式的前提下進行了優(yōu)化設計。數(shù)據總線由ADC I/Q復用電路、DAC I/Q解復用電路和收發(fā)雙工電路共同實現(xiàn)，接口采用半雙工模式，DBB芯片可通過改變發(fā)射/接收(Tx/Rx)信號來控制數(shù)據傳輸方向。為了降低對時鐘頻率的要求，AS2003采用雙速率模式設計，即在時鐘的上下沿均傳輸數(shù)據，上邊沿傳輸I路數(shù)據，下邊沿傳輸Q路數(shù)據。

　　除了射頻信號外，DBB芯片需要通過改變射頻前端電路的各類放大電路的增益來調整接收靈敏度和發(fā)射功率，同時還要通過調整射頻前端電路的頻率合成器來改變射頻頻率。為此AS2003集成了三路獨立的12位精度輔助DAC，可分別用于生成RF芯片中的接收放大器，頻率合成器和發(fā)送放大器的模擬控制信號。這些DAC通過SPI接口接受來自DBB芯片的控制數(shù)據，在連接20kΩ負載時每路DAC的建立時間小于0.3us，這種快速建立特性能有效地保證DBB芯片對RF芯片的實時調整。

　　在手機終端中音頻處理是一重要組成部分，其性能直接影響用戶的使用體驗。AS2003中集成的高性能16位Δ-Σ音頻編解碼電路提供了豐富的特性。這一音頻編解碼電路包含可選擇的雙路麥克風輸入，高保真的差分單路音頻輸出，集成的最大輸出功率可達400mW的揚聲器功率放大器，以及內置的可變增益的數(shù)字Side-Tone音效處理電路，從而提供了完整的手機音頻解決方案。大于73dB的典型信噪比和小于-73dB的THD，32級的連續(xù)音量調節(jié)能力，使得集成的音頻編解碼器已完全能夠替代專用的手機音頻芯片。此外AS2003提供兼容性的數(shù)字音頻接口，可配置4線PCM接口能夠輕松地兼容多種標準數(shù)字音頻接口，如PCM、McBSP、SerialPort和I2S。良好的性能和兼容性提高了對DBB芯片的選擇自由度。

　　除上述功能外，AS2003還提供了一些能進一步簡化手機終端設計的功能。集成的帶選通開關的4路輸入10位SAR-DAC可用于實現(xiàn)對如電池電壓或溫度等模擬信號的測量，可幫助DBB芯片實現(xiàn)對電壓、溫度等多種模擬量的監(jiān)控。AS2003實現(xiàn)的開關機控制電路配合電源調節(jié)芯片，運用合理的設計即可實現(xiàn)帶記憶的單按鍵啟動或關閉手機，而無需依賴專用的手機電源管理解決方案。電池監(jiān)測保護電路則可實現(xiàn)對手機電池電壓的實時監(jiān)測，當電池電壓降低到閾值時，AS2003能夠自動關閉手機以保護電池。AS2003中集成的超低功耗實時時鐘則提供了更加實用的功能，它不僅能為系統(tǒng)提供的準確的時間，而且通過可編程多模式的鬧鐘功能產生中斷信號，實現(xiàn)諸如定時開機、定時關機、定時喚醒等等功能。

　　AS2003的典型應用

　　得益于良好的設計和集成度，僅需選配少量的電阻和電容，就能夠采用AS2003與RF芯片(組)和DBB芯片構建完整的TD-SCDMA手機核心解決方案。AS2003提供的接口可分為RF接口、DBB接口、音頻接口、電源接口和輔助接口(圖2)。

　　圖2：AS2003的典型應用

　　AS2003的RF接口提供了模擬信號接口和模擬控制接口。模擬信號接口分為2對4路I/Q輸入接口和2對4路I/Q輸出接口，分別用于連接RF芯片中頻信號的輸出和輸入。4對接口均采用差分方式，可以與RF芯片直接連接。如需進一步提高性能，也可選用AC耦合連接方式，此時僅需增加兩顆分壓電阻，從AS2003提供的基準電壓取出中間電壓，作為I/Q ADC輸入的共模電壓。AS2003輸出的3路模擬控制信號可直接連接射頻前端的AGC、AFC和APC接口，其0.3V至2.2V的電壓范圍可滿足對絕大部分RF芯片的控制要求。

　　AS2003的DBB接口比較多，但基本上直接連接即可，包括10位的高速數(shù)據總線、2路SPI接口、時鐘接口、收發(fā)信號接口和PCM數(shù)字音頻接口。其中2路SPI接口是主要控制接口，均工作于Slave模式，SPI1接口用于控制AS2003的數(shù)據收發(fā)模塊和3路RF控制用DAC，SPI2接口用于控制其它功能。DBB芯片與AS2003可透過半雙工的高速數(shù)字總線交換中頻信號數(shù)據，但DBB芯片需要主動控制收發(fā)信號接口以調整數(shù)據流向。

　　AS2003可輸出標準的32.768kHz時鐘方波至DBB芯片，DBB芯片也可通過SPI2接口讀取或設置AS2003中的實時時鐘(包括日期和時間)，設置后AS2003將自行維護實時時鐘。AS2003提供了多模式的鬧鐘功能，經SPI2設置后，AS2003能夠定時產生中斷信號，實現(xiàn)諸如定時開機、定時關機功能，也可定時喚醒DBB芯片。

　　AS2003的音頻接口包括PCM接口、耳機輸出接口、揚聲器輸出接口和主/備麥克風接口。PCM接口可通過SPI2接口配置，配置后可兼容PCM、I2S，McBSP和SerialPort等多種數(shù)字音頻接口規(guī)范。耳機輸出接口需要一顆分壓電阻，而差分的揚聲器輸出接口可直接驅動揚聲器，在8Ω負載時最大輸出功率可達400mW。主麥克風接口為差分輸入，可通過兩個RC濾波電路接入主麥克風。輸出選通和麥克風選通及音量可通過SPI2接口調節(jié)。

　　本文小結

　　作為一款TD-SCDMA手機終端專用的ABB芯片，AS2003提供了比標準ABB芯片更為豐富的功能，其高集成度能夠有效地降低TD-SCDMA手機終端對除核心器件以外的元器件的需求。顯而易見，功能合理的ABB芯片同樣能夠降低手機終端的設計難度和制造成本。