无线通信领域中的模拟技术的发展蜂窝基站精

无线通信领域中的模拟技术发展趋势（蜂窝

基站）

JamesKarki德州仪器试验室研究组组员

每个人都但愿在各方面能获得更多实惠：体积更小、功能更多、用电更少、封装

更好、成本更低,等等。特性越丰富，自然就越好，为了满足这一规定，今天的离散

处理方案就是明天日勺集成处理方案。这就意味着更小、更省电、成本更低、可靠

性更高这些原因将推进市场啊发展。集成与创新是制造商获得市场成功所必须实

现的关键目的。

目前，移动计算与通信设备很一般。数字电子技术的发展正是支持上述发展日勺驱

动力,不过模拟电子技术发展也同样重要,两者缺一不可。

数字”以2为基数”,也就是说信号不是一种状态就是另一种状态,不是“开”就是，关

",不是嗔“就是“假“，不是T就是“0"，以此类推。

模拟信号在多种状态口持续工作。模拟信号是世间万物工作的方式,也是人类感

官感知世界的方式。因此,要处理“现实“世界的光与声等信号,就需要模拟信号处

理。

在蜂窝基站中，数字电子技术执行许多复杂的功能,一般在软件与固件控制下工

作。而收发信号则需要模拟电子技术。数据转换器用于将信号从•种领域转换到

另一种领域，即从数字转换为模拟并从模拟转换回

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图1基站收发架构样例

数字。图1显示了发送（Tx）与接受（Rx）架构以及目前常用日勺有关半导体工艺。

发送侧架构的基本功能是通过在DSP（数字信号处理器）或ASIC（专用集成电

路）中运行“程序”生成数字域信号，随即信号由被称作DUC（数字上变频器）的

专用数字电子设备深入处理，再通过DAC（数模转换器）转换为模拟信号,进行混

合、过滤与放大，并通过天线发送。

接受侧口勺过程刚好相反。天线接受日勺模拟信号通过模拟电子设备放大、混合并过

滤,再通过ADC（模数转换器）转换为数字。一旦成为数字格式，则信号首先由被

称为DDC（数字下变频器）日勺专用电子设备处理，然后再由ASIC或DSP处理。

许多蜂窝基站制造商都力图增强系统性能并减少尺寸与成本。有两种措施实现上

述目口勺,一是功率放大器（PA）口勺线性化，二是电子设备的集成，近期就将朝这两

个方向发展。

（手持终端）已成功地集成了收发功能。这也是基站设计的目的,不过基站所需

的性能水平要高得多，因此目前要实现目的还很困难。

PA线性化

为了满足频带外传播规范规定,PA（功率放大器）在较高的A类上工作,效率低

于10%。这需要大型器件以及大量电能。为了优化PA的尺寸与效率，我们正在开

发线性化技术。

最简朴日勺PA线性化措施之一就是减少波峰因数。减少波峰因数压缩了信号”峰值

“并减少线性操作所需的平均功率。它也向信号添加“噪声”,这样所有可用的波峰

因数减少约为3dB,并仍可满足BER（位误差率）日勺EVM（误差向量值）规范。

不过,3dB还是3dB。

此外,PA线性化技术更大的突破是可使信号预失真。预失真是PA线性化时”法宝

”,有望使PA效率优于25%o不过这也非常复杂，并规定理解PA失真特性-而该

特性欧I变化方式非常复杂。该措施H勺基本思绪是使PA预失真,这样当传播信号通

过PA时就不会失真，声满足传播屏蔽（mask）日勺规定。挑战在于PA的失真（即非

线性）特性会随时间、温度以及偏压（biasing）的变化而变化，因器件口勺不同样而

不同样。因此,尽管能为一种器件确定特性并设计对时的预失真算法，但要对每个

器件都进行上述工作在经济上则是不可行日勺。为了处理上述偏差,我们须使用反

馈机制,对输出信号进行采样，并用以校正预失真算法。集成:常见功能与常见技

术

蜂窝基站口勺另一发展趋势符合人们对电子技术的期待，也就是集成更多功能。集

成的J目的在于让功能模块变得更小，减少功耗,减少成本并提高可靠性。

集成一般采用日勺第一步就是将多种部件放在一种封装中。因此,我们日勺分集接受

机采用一种双功能部件，而不是采用两个ADCo另一种措施就是集成使用相似工

艺技术日勺功能。因此,放大器与混频器可以集成在一起。

架构发展是减少组件数量并提高性能的另一种措施。其实例之一就是使用正交调

制器与解调器。

图2显示了包括PA线性化集成度更高的发送器。在该例中，波峰因数减少技术

(CFR)与数字预失真(DPD)都借助DSP或微处理器(PC)控制集成到单芯片中。

为了实现分集,我们使用两条发送途径,并在一种部件中集成了多种DUCo可以看

此正交调制需要两个双DAC,而放大器也组合到调制器中。发送信号日勺采样在

PA进行,并像上面简介日勺那样反馈用于线性化目H勺。这基本上是一种接受途径，

带有集成放大器与混频级,一种封装中有两个ADCo

图2带有PA线性化的集成发送器

图3给出了带有分集接受机集成度更高日勺接受机“每个信道都集成了LNA（低噪

声放大器），带有正交解调器、滤波功能、可变增益以及双ADC。通过使用正交

解调,可用更简朴的Nyquist滤波器及抽选滤波器

替代了DDC功能。

集成:数字与模拟

真正的挑战来自在单芯片上混合数字与模拟功能。高频数字逻辑会产生”噪声”

噪声”通过电源、其他共用连接以及辐射状H勺(radiated)途径传导。噪声在模拟电

路中至关重要，由于它决定着信噪比(SNR),而信噪比则是模拟系统中动态范围日勺

关键品质原因。高性能数字意味着逻辑速度快,高性能模拟意味着动态范围高，将

两者放置在同一PCB(印制电路板)上需要很高的工程设计技巧，在芯片级上进

行集成会更困难。

尽管先进的模拟电压近来成功地从12V下降到5V与3.3V,不过他们很难再减少,

抵达数字内核电压目前日勺水平。这是由于噪声在工作电压下降时不下降，因此模

拟工作电压必须保持在足够H勺高度才能提供良好的SNRo较低的电压局限性以提

供高动态范围模拟信号所需日勺性能空间。

最先进H勺数字工艺不包括高性能模拟组件。此外,最先进H勺数字工艺与最先进H勺

模拟工艺之间在工艺特性尺寸上有很大差距。例如，德州仪器(TI)刚投产H勺最新

型DSP采用了C02790nm制造工艺，而TI最新高性能模拟工艺HPA07与

BiCom-HI则基于350nm的CMOS工艺。

模拟工艺的起点是稳定口勺数字工艺。不管数字工艺晶体管提供什么线性功能,都

作为片上模拟功能。虽然如此，在工艺初期阶段，我们的重点仍是数字；而模拟功

能只限于那些不需要额外工艺环节或修改日勺项目。一旦工艺成熟并成功制造最新

系列H勺高速逻辑产品，则数字工艺开发人员接下来就会开始下•工艺节点的工作，

模拟组件设计人员就会努力采用该工艺推出更高的模拟功能。开发与改善模拟组

件需要时间。高性能模拟工艺推出的时间一般比基本数字工艺的投产要晚几年。

TI的HPA07与BiCom-III先进模拟工艺建立在350nmCMOS工艺基础上,该工艺

最初开发用于数字组件。因此，两者均有着广泛的数字库。基本CMOS工艺的电

源规定与速度使其0前不合用于领先日勺DSP与ASICo同步，工艺的成熟也使噗拟

组件设计人员可以推出高度专业化日勺工艺，可满足多种不同样终端设备应用日勺不

同样产品需要。

HPA07

HPA07精确模拟CMOS工艺为通信以及其他系统的低噪声而设计,在上述应月中,

模拟与高速数据功能必须共存,并须尽量减小信号干扰。该工艺有助于模拟集成，

实现了良好的逻辑门密度、很好的模拟组件性能,并提供埋层隔离使模拟信号免

受高频数字电路的干扰。

HPA07集成了5V与3.3V数字逻辑器件以及存储器,并添加了专门用于模拟功能

的晶体管与无源组件。该工艺通过精心设计，符合噪声、晶体管线性以及组件匹

配与稳定性方面日勺高性能原则。它极其合用于运算放大器、ADC.DAC.电压参照

与稳压器以及仪表放大器。HPA07还可实现多达40个组件的灵活设计，同步还以

相称少H勺屏蔽使成本保持在可控范围之内。

HPA07CMOS晶体管噪声与失真都很低,它们采用掩埋信道PMOS技术制造,为

此类器件实现了极高日勺增益带宽/噪声比。带有很低温度系数的激光微调硅倍

(SiCr)薄膜电阻器可在整个工作温度范围内实现稳定性。晶圆日勺单独处理可实现

16位初始(initial)电阻器匹配，比业界经典状况多出四位。它还具有漏极扩展

(drain-extended)CMOS晶体管,可为高振幅信号应用处理高达30VH勺电压。

此外,HPA07提供了电压系数提高4倍的金属.绝缘体-金属(MIM)电容器,并提供

了高精度TiN聚合物(TiN-Poly)电容器、较厚於J铜金属路由层与存储器。这些特

性使模拟工艺可以推出高精度集成产品。OPA300与OPA301只是该工艺生产的

众多产品中的最初产品而已。它们具有150MHz的单位增益带宽、3nV/JHz均

低电压噪声以及30ns内0.1%的建立时间。OPA300采用工作电压为2.7V(土

1.35V)至

5.5V(+2.75V)的单电源供电,并具有关机功能,可将电源电流减少至5口A,这对

便携式低功耗应用非常有用。它们为驱动高速SARADC提供了低功耗单电源处

理方案，同步还不影响性能。

BiCom-HI

BiCom-HI是•种硅铭(SiGe)工艺,为超高精度模拟集成电路而开发。它是一种电

介质绝缘日勺硅(Si)基工艺,并在基区加倍(Ge)o基区加错大大提高了载流子迁移

率,实现了极快的瞬态时间。该工艺实现了真正互补的双极NPN与PNP晶体管，

传播频率(仃)为18GHz,最大频率(fmax)为40-60GHzo互补晶体管可实现AB类

放大器级，这对设计高速、高性能模拟电路至关重要。该工艺实现的速度是较早

工艺日勺三倍。高速模拟设计技术日勺其他优势在于:金属•绝缘体-金属（MIM）电容

器电压系数很低、电阻匹配极佳

（0.1%）、电介质绝缘（DI）（也称作绝缘硅（SOI））。该工艺技术减少了寄生电容，

并为增大口勺线性度生成很高口勺晶体管电流与增益尔利（early）电压乘积（BX

VA）o

BiCom-IH工艺先进性能日勺实例之一是THS4304。它是首款单位增益稳定日勺3GHz

电压反馈运算放大器。它设计用于高性能高速模拟信号处理链中,在+5V单电源

下工作。

THS4304可提供3GHz-3dB的单位增益带宽、830VZus的转换速率、+45dBm的）

三阶输出截取（OIP3）@20MHz、2.8nV/VHz输入噪声以及7.5ns建立时间内抵达

0.01%,与此同步仅消耗90mW的静态功率。

要想理解THS4304独树一帜的性能,不妨将它与图4所示的重要（premier）±5V

运算放大器进行比较。竞争产品X对小至+2V/V的增益进行内部赔偿,许多设计

人员都认为它是既有失真最低的±5V运算放大器之一。

该图显示了在5V电源下工作的ITH