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CMOS-Single-HF-IC Handy-Design mit reduzierter Komponentenzahl

Redakteur: Jan Vollmuth

Die Single-Chip-Lösung E-GOLDradio von Infineon umfasst alle Funktionsbausteine für ein GSM/GPRS-Mobiltelefon: Auf einem CMOS-Chip sind Basisbandfunktionen, interne Speicher, Mixed-Signal-

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Single-Chip-Lösung E-GOLDradio von Infineon umfasst alle Funktionsbausteine für ein GSM/GPRS-Mobiltelefon: Auf einem CMOS-Chip sind Basisbandfunktionen, interne Speicher, Mixed-Signal- und HF-Funktionen integriert, der dank Flip-Chip-Technologie in einem nur 9 mm x 9 mm kleinen LF²BGA-Gehäuse Platz findet. E-GOLDradio wird als Kernkomponente auf zwei Infineon Plattformen für Ultra-Lowcost-Handies eingesetzt: BP30 (Basic Phone) und ULC1(Ultra Low Cost).

Dr. Markus Hammes, Michael Jung, Andre Hanke

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*Dr. Markus Hammes, Michael Jung und Andre Hanke sind Mitarbeiter von Infineon Technologies

Mit dem neuen E-GOLDvoice-Chip und weniger als 50 weiteren elektronischen Komponenten lässt sich erstmals die komplette GSM-Funktionalität eines Handys auf einer Platinenfläche von 4 mm2 unterbringen. Der GSM-Chip ist der weltweit erste, der neben dem Basisbandprozessor und dem Hochfrequenzteil auch den SRAM-Arbeitsspeicher sowie das Strom-Management auf einem Chip integriert. Allein der Power-Management-Chip nahm bislang eine Fläche von 7 mm2 ein.

E-GOLDradio integriert den Basisband-Chip E-GOLDlite und den SMARTi-SD2-HF-Transceiver auf einem Chip. Der IC zeichnet sich u.a. durch skalierbare Funktionen aus. Da er zweifarbige Displays für Klapp-Handies, Kamera, MP3-Playback und andere Funktionen unterstützt, lassen sich mit dem E-GOLDradio Handys für das „Ultra-Low-Cost“-Segment als auch für den „Mid-Range“-Bereich realisieren.

Der E-GOLDradio wird in 130-nm-CMOS-Technologie (ft = 100 GHz) gefertigt. Die größte Herausforderung bei einer monolithischen Integration von HF-Teil und Basisband besteht darin, das Übersprechen zu verhindern bzw. zu reduzieren. Bei E-GOLDradio werden dafür keine speziellen Optionen der Prozesstechnologie genutzt. Vielmehr wurde durch eine geschickte Kombination aus Systemarchitektur (IC, Gehäuse, Leiterplatte, etc.), ausgereiftem Design-Ansatz und sorgfältig ausgewähltem Layout das Übersprechen hinreichend reduziert.

Fertigungsvariationen des CMOS-Prozesses berücksichtigt

Typische Funktionsbausteine eines HF-Designs wie z.B. Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und Spulen und deren HF- und Rauschleistung haben großen Einfluss auf das Verhalten und die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Besondere Aufmerksamkeit gilt den Fertigungsvariationen des CMOS-Prozesses und dem Einfluss von speziellen CMOS-Merkmalen (z.B. 1/f-Rauschen) auf das Verhalten des Senders bzw. Empfängers: Die hohen Systemanforderungen der GSM/GPRS HF-Parameter erfordern besondere Design-Maßnahmen. So müssen z.B. die spezifizierten Parameter im Hinblick auf die Fertigungsvariationen des CMOS-Prozesses garantiert werden – über einen großen Temperatur- und Versorgungsspannungsbereich hinweg.

Der Transceiver-Teil des E-GOLDradio umfasst eine Sigma-Delta-PLL für die TX-Modulation und einen Direct-Conversion-Receiver (RX-Seite). Die Gesamtarchitektur basiert auf dem HF-Transceiver SMARTi-SD2. Ein wichtiger Vorteil der gewählten Direct-Conversion-Architektur: Bei einem bestimmten Frequenz-Offset fehlen unerwünschte Seitenbänder. Diese Seitenbänder könnten sich über Cross-Coupling-Effekte (Kreuzkopplungseffekte) mit anderen unerwünschten Signalen mischen und die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems deutlich mindern.

Um das kritische Übersprechen vom Leistungsverstärker (PA) in den VCOs zu reduzieren und die Systemkomplexität zu minimieren, basiert der TX-Pfad auf einer modulierten PLL. Für die TX-Architektur wurde eine Sigma-Delta-Modulation gewählt. Solch eine PLL erfordert viele Anpassungs- und digitale Prozeduren. Hier kommt ein Vorteil des CMOS-Prozesses zum Tragen: Diese Logik lässt sich in dieser Technologie auf kleiner Chipfläche implementieren.

Sorgfältig abgestimmte Rauschunterdrückung

Der VCO läuft mit der zweifachen Frequenz für die hohen Bänder und mit der vierfachen Frequenz für die niedrigen Bänder. Er hat eine Verstärkung von 60 MHz +/-10% und einen Frequenzbereich von 1300 MHz.

Das PLL-Design muss besonders sorgfältig erfolgen, weil das System eine sehr gute Rauschunterdrückung (Sigma-Delta-Rauschen) besonders bei einer Offset-Frequenz von 400 kHz benötigt.

Einer der wichtigsten Leistungsparameter in GSM-Systemen ist das Rauschen in den Empfangsbändern, das eine Rauschleistung von -162dBc/Hz bei einem Offset von 20 MHz im Low-Band erfordert. Mit einer sehr guten Rauschleistung können die Anforderungen der Empfangsempfindlichkeit und der Nichtlinearität des Receivers erfüllt werden. Diese Parameter hängen zudem stark von den Frontend-Filtern ab. Das Rauschen der PLL bei einem Offset von 20 MHz ist besser als -164,5dBc/Hz, wodurch genügend Spielraum für die GSM-Spezifikation bleibt.

Das 1/f-Rauschen (Funkelrauschen) ist ein kritischer Parameter in der Receiver-Kette, da es das gesamte Rauschverhaltens verschlechtert. Deshalb hängt die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems von einem ausgeklügelten Design des Demodulators und der kompletten LO-Kette ab. Die optimale Anstiegsgeschwindigkeit des LO-Schaltsignals muss in Kombination mit einer allgemein niedrigen Gesamtleistungsaufnahme erreicht werden. Der E-GOLDradio erreicht Rauschzahlen von deutlich unter 3 dB für alle Bänder. Ein Abgleich lässt sich mit einem 2:1-Transformer und einer Symmetrieschaltung an den HF-Pins erreichen. Für den eingesetzten Direct-Conversion-Receiver ist neben einer sehr geringen Eckfrequenz des 1/f-Rauschens eine sehr gute IIP2-Leistung notwendig, um das System robust gegen amplitudenmodulierte Störungen zu machen. Die Ausgangsleistung im High- und Low-Band liegt über +2dBm.

Kreuzkoppeleffekte werden durch spezielle Design-Implementierungen reduziert

Auf Chip-Niveau muss den Kreuzkopplungseffekten zwischen dem HF-Teil und dem digitalen Bereich besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Eine Quelle für diese Effekte kann das niederohmige Siliziumsubstrat des CMOS-Prozesses darstellen. So weist z.B. ein SOI-Prozess (Silicon on Insulator) eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Kreuzkopplungseffekten auf als ein CMOS-Prozess, ist aber viel teurer. So genannte Schutzringe können die Isolation verbessern.

Andere Übersprechquellen sind etwa die Kopplung der Stromversorgung oder die Kopplung aufgrund der Induktivitäten von Bonddrähten. Geeignete Gegenmaßnahmen sind u.a. Erdung, Pufferung, Pin-Platzierung. Koppeleffekte lassen sich zudem durch sorgfältige Planung der vorkommenden Frequenzkomponenten gering halten. Aufgrund nicht parasitärer Effekte bei der Schaltungsrealisierung und den Kreuzkoppeleffekten ergeben sich neben der gewünschten Trägerfrequenz einige Komponenten mit höheren harmonischen Frequenzen als störende Frequenzkomponenten. Diese Komponenten erscheinen im Übertragungsspektrum und beeinflussen das Sperrverhalten (Blocking). Einige Maßnahmen, wie z.B. das Smart-Frequency-Converter-Konzept und spezielle Design-Implementierungen können diese ungewollten Spektralkomponenten reduzieren.

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