低功率CMOS无线射频芯片设计要点

无线通讯市场的趋势一直朝向低成本、低消耗功率、小体积等目标。短距离装置产品(Short-Range Devices )更在无线传感器网络(sensor network) 概念的推波助澜下，带动了射频芯片(RF IC)的需求量大增，射频收发器 (TRX)要达到低功耗设计，低电压工作是必要条件，然而，电路的效能与工作电压有关，在兼顾到效能与低功耗之间，是一个很大的挑战。近年来，RF IC之制作技术日新月异。高速、低功率组件更是众所瞩目之焦点，目前0.13um RF CMOS工艺的晶体管，fT 值可达到60 GHz，这表示CMOS晶体管有足够的能力来处理高频信号，所以产业界的主流几乎以RF CMOS 技术，致力于低功率RF IC的优化与研究。

　　本文将以笙科电子的2.4GHz IEEE 802.15.4 射频收发器 (适用于 Zigbee 标准，RF4CE则是基于Zigbee的遥控器应用规范) 为例，介绍超低功率CMOS无线射频芯片的设计概要，从电路设计到系统观点，向读者说明芯片设计和应用需要考虑的地方。该芯片设计考虑必须涵盖，通讯标准规格、电路的行为模式。在接收部分，介绍了2.4GHz 射频信号从天线接收后，进入LNA放大信号，经由Mixer，Filter，Limiter，RSSI，最后到达数字解调器，最后把接收数据存入RX-FIFO。另一方面，TX-FIFO内的数字信息经过VCO与双点差异积分调变器(two-point delta-sigma modulation) 调变，把调变后的射频信号透过PA放大，最后经由天线辐射出去，本文亦会从系统观点，提出天线与PCB硬件设计重点，加上软件控制，协助读者理解如何透过A7153实现低功耗的Zigbee 或 RF4CE射频网络。

　　Zigbee 调变方式与PA设计的考虑

　　2.4GHz Zigbee 标准定义250kbps展频(DSSS)数据传输速率，并采用偏移四相移键调变加半正弦脉波整型调变方式(Offset-QPSK with half-sine pulse shaping)，其等效于最小频移键调变(MSK)。MSK相较于相移键调变(PSK)或正交分频多任务(OFDM)，是一种恒包络(constant envelope)的调变方式，因此可以选用线性度不高但效率较高的功率放大器，以降低TX功耗。

　　TX发射器设计考虑

　　数字调变系统中，IQ调变是一种常见的架构。该架构将调变的Data分成IQ成分，经由半正弦脉波整型及数字模拟转换器(DAC)转成模拟IQ讯号。再透过四相混频器(quadrature mixer)升频至RF讯号。由于IQ讯号使用数字电路实现，因此有较准确的调变指数(modulation index)，缺点是需要较多的电路。

　　另一方面，由于2.4GHz Zigbee调变等效于MSK，而MSK可视为频移键调变(FSK)的一种，因此可以利用压控振荡器(VCO)来实现频移。由于不需要混频器等电路，因此得以降低电路复杂度及功耗。VCO调变设计有两种，其一为开回路(open loop)，其二为闭回路(close loop)。开回路调变直接利用数据控制VCO频率，而未使用锁相回路(PLL)或将PLL断开。这样虽可拥有较低功耗，但因频率未被锁住，会有恼人的频漂(frequency drift)问题。

　　相对而言，闭回路系统通常采用delta-sigma modulation，它的方法是改变PLL除频器的除数，进而改变锁相频率，其结果的VCO频率是牢牢被锁住的，因此可以解决频漂的问题。但是受到回路频宽(loop band-width)的限制，通常适用于低数据率的系统。想要利用闭回路架构达到高数据率，则可采用双点差异积分调变器(two-point delta-sigma modulation)，即在差异积分调变上加入VCO调变。数据经由差异积分调变的路径上有低通(low pass)的效果，即高频数据会被滤掉。相对地，在VCO调变的路径上有高通(high pass)的效果。两者互补的结果，即可完整地调变数据。

　　值得注意的是，VCO的电压对频率转换曲线，会因半导体工艺而有变异，因此需要额外的校正电路来校正频移量。若设计的VCO有较线性的电压对频率转换曲线，则可大大降低校正电路的复杂度。

　　RX接收器设计考虑

　　零中频(Zero-IF)及低中频(Low-IF)是易于实现整合型接收器的两种架构。零中频接收器是将RF讯号降频至基频(base-band)，然后用模拟数字转换器(ADC)转成数字讯号，再用数字讯号处理器(DSP)将数据解调出来。由于中频频率为零，因此通道选择(channel selection)只需要用低Q值的低通滤波器，低Q值通道选择滤波器的消耗电流也相对较小。但零中频接收器也具有一些缺点，例如直流偏移(DC offset)及闪烁噪声(flicker noise)。为了解决这些问题，必须增加额外电路及功耗。

低中频接收器则是将RF讯号降至适当的中频，以舒缓上述直流偏移及闪烁噪声等问题。但是低中频接收器则有映像干扰(image interference)的问题，因此低中频接收器需要映像抑制(image rejection)滤波器，同时，通道选择滤波器必须采用带通滤