CMOS與MEMS方案走紅　移動(dòng)裝置RF架構(gòu)改弦更張

射頻微機(jī)電(RF MEMS)、互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)RF方案將大舉進(jìn)駐行動(dòng)裝置。多頻多模4G手機(jī)現(xiàn)階段最多須支持十五個(gè)以上頻段，引發(fā)內(nèi)部RF天線尺寸與功耗過(guò)大問(wèn)題；為此，一線手機(jī)廠已計(jì)劃擴(kuò)大導(dǎo)入RF MEMS組件，透過(guò)軟件定義無(wú)線電(SDR)、天線頻率調(diào)整等新技術(shù)，降低天線數(shù)量、尺寸并增強(qiáng)訊號(hào)接收效能與帶寬。

同時(shí)，CMOS RF亦挾著硅材料/制程成本低、產(chǎn)能充足等優(yōu)勢(shì)，持續(xù)瓜分傳統(tǒng)砷化鎵(GaAs)、硅鍺(SiGe)RF市占；近期，芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)更發(fā)動(dòng)新攻勢(shì)，率先推出CMOS RF數(shù)字接收器單芯片，提供媲美傳統(tǒng)RF組件效能，并減輕數(shù)字無(wú)線電(Digital Radio)系統(tǒng)占位空間及物料成本，有助擴(kuò)張CMOS RF勢(shì)力。

Cavendish Kinetics總裁暨執(zhí)行長(zhǎng)Dennis Yost(圖1)表示，隨著智能型手機(jī)持續(xù)擴(kuò)增須支持的頻段，如何維持RF天線性能，且不影響系統(tǒng)占位空間與耗電量表現(xiàn)，已成為RF組件和手機(jī)廠商的產(chǎn)品發(fā)展重點(diǎn)，因而帶動(dòng)新一波RF技術(shù)革命，給予能同時(shí)兼顧尺寸和效能的RF MEMS方案崛起契機(jī)。

Yost透露，內(nèi)建RF MEMS的長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)手機(jī)可望于今年夏天競(jìng)相出籠，目前RF MEMS組件供貨商Cavendish Kinetics正與多家手機(jī)業(yè)者緊密合作，初期將鎖定高階LTE多頻多模手機(jī)應(yīng)用，待逐步達(dá)到量產(chǎn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模后，再往下朝中低階手機(jī)市場(chǎng)扎根。

RF MEMS基于機(jī)械式諧振結(jié)構(gòu)，只要改變內(nèi)部隔板距離就能使電容流量產(chǎn)生變化，可免除外部電容與開(kāi)關(guān)等零組件，減輕天線總體功耗與體積；此外，其具備可編程能力，亦可支持SDR功能，并實(shí)現(xiàn)天線頻率調(diào)整、可調(diào)式阻抗匹配等控制方案，協(xié)助簡(jiǎn)化RF前端模塊(FEM)設(shè)計(jì)、增強(qiáng)訊號(hào)接收效能、帶寬及減少天線數(shù)量。由于RF MEMS優(yōu)勢(shì)顯著，因此近來(lái)已有不少手機(jī)廠研擬改搭此方案，以全面改善傳統(tǒng)RF天線的功能缺失。

然而，高通(Qualcomm)、聯(lián)發(fā)科等處理器大廠近來(lái)積極強(qiáng)化RF方案，前者更率先推出業(yè)界首款CMOS功率放大器(PA)，大幅改善RF效能與成本，引發(fā)RF MEMS市場(chǎng)擴(kuò)展速度將放緩的疑慮。Cavendish Kinetics營(yíng)銷與業(yè)務(wù)發(fā)展執(zhí)行副總裁Larry Morrell解釋，處理器業(yè)者的RF方案僅對(duì)處理器端的訊號(hào)增強(qiáng)與噪聲消除有益，對(duì)優(yōu)化RF天線尺寸與傳輸功耗的效果有限，因此RF MEMS仍將是推動(dòng)LTE多頻多模手機(jī)設(shè)計(jì)成形的關(guān)鍵角色。

Morrell補(bǔ)充，手機(jī)廠對(duì)換料的評(píng)估通常較慎重，以免增加投資風(fēng)險(xiǎn)，但實(shí)際上RF MEMS因減少周邊零組件用量，整體物料清單(BOM)成本反而比傳統(tǒng)RF設(shè)計(jì)更優(yōu)異，且在各種LTE頻段中平均能提高35%傳輸效率，勢(shì)將大舉攻占LTE、LTE-Advanced多頻多模手機(jī)RF應(yīng)用版圖。

Yost更強(qiáng)調(diào)，2014?2016年，RF MEMS技術(shù)將再度躍進(jìn)，包括RF前端模塊的功率放大器、濾波器(Filter)和雙工器(Duplexer)均可動(dòng)態(tài)調(diào)整(圖2)，進(jìn)而達(dá)成更高效率；另外，由于RF MEMS兼容CMOS制程并支持?jǐn)?shù)字接口，未來(lái)亦可望與邏輯芯片進(jìn)一步結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高整合度的手機(jī)系統(tǒng)解決方案。

圖2 2013∼2016年RF MEMS技術(shù)演進(jìn)藍(lán)圖

多頻多模LTE掀革命　SDR進(jìn)駐手機(jī)RF設(shè)計(jì)

事實(shí)上，手機(jī)升級(jí)至LTE行動(dòng)通訊規(guī)格后，因電信商各自布建分頻雙工(FDD)或分時(shí)(TD)-LTE網(wǎng)絡(luò)，且各國(guó)運(yùn)行頻譜規(guī)畫(huà)也不一，已導(dǎo)致手機(jī)增強(qiáng)天線功能的需求更加殷切；所以相關(guān)芯片商與系統(tǒng)廠除轉(zhuǎn)攻新興RF技術(shù)外，亦正競(jìng)相開(kāi)發(fā)SDR技術(shù)，期藉軟件編程功能，自動(dòng)偵測(cè)并切換至使用者所在地的最佳LTE頻段，以最小幅度的RF硬件變動(dòng)，優(yōu)化手機(jī)效能。

Tensilica創(chuàng)辦人暨技術(shù)長(zhǎng)Chris Rowen表示，SDR技術(shù)將是加速LTE手機(jī)上市，并實(shí)現(xiàn)全球漫游的關(guān)鍵推手，繼輝達(dá)(NVIDIA)在Tegra 4i中率先導(dǎo)入LTE軟件定義調(diào)制解調(diào)器(Modem)，打響SDR技術(shù)在手機(jī)RF應(yīng)用中的第一炮后，目前至少還有二十幾家處理器業(yè)者計(jì)劃跟進(jìn)，讓旗下芯片能支持SDR方案，以協(xié)助系統(tǒng)廠改善LTE手機(jī)天線的尺寸與耗電量。

Rowen更強(qiáng)調(diào)，未來(lái)LTE手機(jī)升級(jí)導(dǎo)入多重輸入多重輸出(MIMO)、載波聚合(Carrier Aggregation)功能后，對(duì)天線的性能要求更將大幅攀升，廠商為兼顧高效能與低功耗、小體積設(shè)計(jì)，將應(yīng)用SDR技術(shù)發(fā)展特定基頻RF子系統(tǒng)或增強(qiáng)型接收器(Turbo Receiver)，以滿足LTE甚至LTE-Advanced的設(shè)計(jì)需求。

不僅LTE多頻多模的設(shè)計(jì)趨勢(shì)牽動(dòng)行動(dòng)裝置RF架構(gòu)轉(zhuǎn)變，由于行動(dòng)裝置業(yè)者對(duì)廣播音頻質(zhì)量，以及相關(guān)RF組件的尺寸和成本要求愈來(lái)愈嚴(yán)格，因而也成為刺激RF技術(shù)演進(jìn)的另一股強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)力。現(xiàn)階段，CMOS RF技術(shù)已被芯片商和系統(tǒng)廠視為重點(diǎn)布局方案。

芯科實(shí)驗(yàn)室副總裁暨廣播產(chǎn)品總經(jīng)理James Stansberry(圖3)表示，數(shù)字無(wú)線電科技可大幅提升廣播音頻質(zhì)量并傳送更多信息予用戶，將開(kāi)創(chuàng)廣播產(chǎn)業(yè)新視野。然而，相關(guān)系統(tǒng)仍受制于零組件用量龐大、高成本及高耗電等RF設(shè)計(jì)問(wèn)題，而延宕市場(chǎng)發(fā)展腳步。為改善此弊病，借重CMOS RF的功能特色與生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)已是業(yè)界共同努力目標(biāo)。

其中，芯科實(shí)驗(yàn)室日前已利用CMOS RF與SDR技術(shù)，搶先業(yè)界發(fā)布新一代數(shù)位接收器單芯片，透過(guò)整合低噪聲放大器(LNA)、低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、自動(dòng)增益控制(AGC)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等大量零組件，可在不損及RF性能與效率的前提下，大幅改進(jìn)體積與功耗。此外，還可透過(guò)SDR功能完整支持調(diào)頻(FM)、高音質(zhì)廣播(HD Radio)和數(shù)字音頻傳輸(DAB)/DAB+等標(biāo)準(zhǔn)，全面提升RF系統(tǒng)價(jià)值。

Stansberry指出，CMOS技術(shù)能提高RF周邊組件整合度(圖4)，將使裝置內(nèi)部RF系統(tǒng)減輕物料成本及耗電量。以RF數(shù)字接收器為例，CMOS RF單芯片較傳統(tǒng)兩塊印刷電路板(PCB)分離式RF設(shè)計(jì)，大幅縮減80%占位空間及50%以上成本；同時(shí)還能結(jié)合各種模擬組件與數(shù)字校正機(jī)制，優(yōu)化RF高頻效率、動(dòng)態(tài)電壓范圍和抗噪聲能力，補(bǔ)強(qiáng)CMOS制程材料先天特性不佳的缺陷。

圖4 CMOS RF接收器架構(gòu)圖

事實(shí)上，CMOS制程不僅可降低RF組件生產(chǎn)難度，在擴(kuò)產(chǎn)方面也相對(duì)材料特殊的砷化鎵制程方案容易許多，甚至能與基頻處理器、內(nèi)存等組件整合為系統(tǒng)單芯片(SoC)，因而被視為RF產(chǎn)業(yè)新星。

隨著消費(fèi)性電子、行動(dòng)裝置支持更多無(wú)線功能、體積不斷縮小且出貨量急遽擴(kuò)大，其內(nèi)部RF系統(tǒng)成本及尺寸也須持續(xù)下降，且要有充分產(chǎn)能才能滿足市場(chǎng)要求。因此，近來(lái)各種消費(fèi)性或可攜式電子導(dǎo)入CMOS RF的需求已顯著攀升，包括電視調(diào)諧器(TV Tuner)、AM/FM發(fā)射器與接收器等均快速轉(zhuǎn)向CMOS RF設(shè)計(jì)。