用于wlan应用的前端集成电路的制作方法

用于wlan应用的前端集成电路的制作方法
【专利摘要】用于无线局域网WLAN应用的前端集成电路。在一些实施例中，半导体裸芯可以包括半导体基板，以及在该半导体基板上实现并且配置用于与频率范围相关联的WLAN发射操作的功率放大器。该半导体裸芯还可以包括在该半导体基板上实现并且配置用于与该频率范围相关联的WLAN接收操作的低噪声放大器(LNA)。该半导体裸芯还可以包括在该半导体基板上实现并且配置为有助于该发射和接收操作的发射/接收开关。
【专利说明】
用于WLAN应用的前端集成电路
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2015年1月7日提交的，名称为"HIGHLY INTEGRATED SINGLE CHIP FRONT-END IC BASED ON SIGE BICMOS"的美国临时申请No.62/100,659的优先权，其公开 由此通过引用明确地整体合并于此。
技术领域
[0003] 本公开涉及一种用于射频(RF)应用的前端设计。
【背景技术】
[0004] 许多电子设备包括配置为提供无线局域网(WLAN)功能的电路和组件。这种WLAN功 能允许电子设备以无线方式与一个或多个其它设备进行通信。

【发明内容】

[0005] 根据多种实现方式，本公开涉及一种半导体裸芯，其包括半导体基板和功率放大 器，该功率放大器在该半导体基板上实现，并配置用于与频率范围相关联的无线局域网 (WLAN)发射操作。该半导体裸芯还包括低噪声放大器(LNA)，该低噪声放大器在该半导体基 板上实现，并配置用于与该频率范围相关联的WLAN接收操作。该半导体裸芯还包括发射/接 收开关，该发射/接收开关在该半导体基板上实现，并配置为有助于该发射和接收操作。
[0006] 在一些实施例中，该频率范围可以包括4.9GHz至5.9GHz的WLAN频率范围。
[0007] 在一些实施例中，该半导体基板可以配置为允许硅锗(SiGe)BiCMOS工艺技术的实 现。该功率放大器可以实现为具有多个级的SiGe功率放大器。该多个级可以包括具有第一 放大晶体管的第一级，具有第二放大晶体管的第二级以及具有第三放大晶体管的第三级。 该第一放大晶体管、该第二放大晶体管和该第三放大晶体管中的每一个可以配置为通过其 基极接收输入信号并通过其集电极生成放大的信号，使得用于该SiGe功率放大器的输入射 频(RF)信号被提供至该第一放大晶体管的基极，并且通过该第三放大晶体管的集电极获得 来自该SiGe功率放大器的放大的RF信号。
[0008] 在一些实施例中，该半导体裸芯还可以包括一个或多个匹配网络电路，其在该多 个级之前、级之间和/或该多个级之后实现。
[0009] 在一些实施例中，该半导体裸芯还可以包括CMOS控制器，其配置为为该SiGe功率 放大器提供控制功能。
[0010] 在一些实施例中，该半导体裸芯还可以包括一个或多个偏置电路，其配置为提供 偏置信号至该多个级。该一个或多个偏置电路中的至少一些可以配置为提供裸芯上温度和 电压补偿功能中的任一个或两者。
[0011] 在一些实施例中，该半导体裸芯还可以包括功率检测器，其配置为测量与该SiGe 功率放大器相关联的功率。这种功率检测器可以是例如对数检测器。
[0012] 在一些实施例中，该LNA可以实现在具有第一晶体管和第二晶体管的共源共栅配 置中。该第一晶体管可以配置为作为共源极器件操作，并且该第二晶体管可以配置为作为 共栅极器件操作。该LNA可以配置为使得输入RF信号被提供至该第一晶体管的栅极，并通过 该第一晶体管的漏极输出放大的RF信号，并且来自该第一晶体管的漏极的放大的信号被提 供至该第二晶体管的源极用于进一步放大，并通过该第二晶体管的漏极输出。
[0013] 在一些实施例中，该LNA可以包括旁路电路，其实现在该第一晶体管的栅极和该第 二晶体管的漏极之间。该旁路电路可以包括串联布置的第一和第二晶体管，并且在该第一 和第二晶体管之间实现衰减阻抗。在一些实施例中，该LNA还可以包括一个或多个陷波滤波 器。
[0014] 在一些实施例中，该发射/接收开关可以实现为包括与天线通信的刀，与该LNA通 信的第一掷以及与该功率放大器通信的第二掷。该发射/接收开关可以包括在该刀和该第 一掷之间的第一串联路径，以及在该刀和该第二掷之间的第二串联路径。该第一和第二串 联路径中的每一个可以包括多个场效应晶体管(FET)，该多个场效应晶体管串联布置并且 配置为接通以用于通过RF信号以及断开用于阻止通过RF信号。
[0015] 在一些实施例中，该发射/接收开关还可以包括在该第一掷和AC接地之间的第一 分流路径，以及在该第二掷和该AC接地之间的第二分流路径。该第一和第二分流路径中的 每一个可以包括多个FET，该多个FET串联布置并且配置为当对应的串联路径断开时接通， 以及当该串联路径接通时断开。该第一和第二串联路径以及该第一和第二分流路径中的每 一个FET可以实现为具有多栅极配置的MOSFET器件。
[0016] 在一些实施例中，本公开涉及一种用于制造半导体裸芯的方法。该方法包括形成 或提供半导体基板，以及在该半导体基板上实现功率放大器。该功率放大器配置用于与频 率范围相关联的无线局域网(WLAN)发射操作。该方法还包括在该半导体基板上形成低噪声 放大器(LNA)。该LNA配置用于与该频率范围相关联的WLAN接收操作。该方法还包括在该半 导体基板上实现发射/接收开关。该发射/接收开关配置为有助于该发射和接收操作。
[0017] 根据一些教导，本公开涉及一种射频(RF)模块，其包括配置为容纳多个组件的封 装基板，以及在安装在该封装基板上的裸芯上实现的前端集成电路(FEIC)。该裸芯包括半 导体基板，以及在该半导体基板上实现并且配置用于与频率范围相关联的无线局域网 (WLAN)发射操作的功率放大器。该裸芯还包括在该半导体基板上实现并且配置用于与该频 率范围相关联的WLAN接收操作的低噪声放大器(LNA)。该裸芯还包括在该半导体基板上实 现并且配置为有助于该发射和接收操作的发射/接收开关。
[0018] 在一些实施例中，该频率范围可以包括4.9GHz至5.9GHz的高WLAN频率范围。在一 些实施例中，该RF模块还可以包括安装在该封装基板上的第二裸芯。该第二裸芯可以包括 配置用于与第二频率范围相关联的发射和接收操作的FEIC，并且该FEIC可以包括功率放大 器、LNA和发射/接收开关。在一些实施例中，该第二频率范围可以包括2.4GHz至2.5GHz的低 WLAN频率范围。
[0019] 在一些实施例中，该第二裸芯的发射/接收开关可以配置为允许通过该第二裸芯 路由与短距离个人局域网相关联的RF信号。
[0020] 在一些实施例中，该RF模块还可以包括双工器，其实现为允许该RF模块在高和低 WLAN频率范围中同时操作。在一些实施例中，该RF模块还可以包括配置为在该高WLAN频率 范围中操作以提供多输入多输出(MHTO)功能的裸芯中的一个或多个。
[0021 ]根据一些实施，本公开涉及一种无线设备，其具有收发器，以及与该收发器通信并 实现在裸芯上的前端集成电路(FEIC)。该裸芯包括半导体基板以及功率放大器，该功率放 大器在该半导体基板上实现并且配置用于与频率范围相关联的无线局域网(WLAN)发射操 作。该裸芯还包括低噪声放大器(LNA)，该低噪声放大器在该半导体基板上实现并且配置用 于与该频率范围相关联的WLAN接收操作。该裸芯还包括发射/接收开关，该发射/接收开关 在该半导体基板上实现并且配置为有助于该发射和接收操作。该无线设备还包括天线，该 天线与该裸芯通信并且配置为有助于该发射和接收操作。
[0022]在一些实施例中，该FEIC可以实现在前端模块上。在一些实施例中，该无线设备还 可以包括配置用于蜂窝发射和接收操作的蜂窝FEIC和蜂窝天线。
[0023]出于总结本公开的目的，在在此已经描述了本发明的特定方面、优点和新颖的特 征。将理解，根据本发明的任何特别的实施例，并非一定要实现所有这些优点。因此，可以以 实现或优化如在此教导的一个或一组优点的方式实施或实现本发明，而并非一定要实现如 在此教导或建议的其它优点。
【附图说明】
[0024]图1示出具有收发器/基带块、第一频带块、第二频带块、以及双工器块的双频带前 端(FE)系统的示例，实现所述双频带前端(FE)系统以为WLAN应用提供双频带功能。
[0025]图2示出示例功率放大器，其可以实现在半导体裸芯上，以提供图1的FE系统的一 个或多个频带块功能。
[0026] 图3示出示例发射/接收开关，其可以实现在与图2的功率放大器相关联的相同半 导体裸芯上。
[0027] 图4示出示例低噪声放大器(LNA)，其可以实现在与图2的功率放大器相关联的相 同半导体裸芯上。
[0028] 图5示出在与图2-4相关联的半导体裸芯中的发射和接收路径的S参数的示例。 [0029]图6示出在与图2-4相关联的半导体裸芯中的动态EVM(DEVM)和电流消耗特征的示 例。
[0030] 图7示出在与图2-4相关联的半导体裸芯中的用于不同调制带宽和数据速率的 DEVM特征的示例。
[0031] 图8示出在与图2-4相关联的半导体裸芯中的功率检测器响应的示例。
[0032] 图9示出在与图2-4相关联的半导体裸芯中的沿着接收路径的噪声图的示例。
[0033] 图10示出在一些实施例中，具有如在此描述的一个或多个特征的前端集成电路 (FEIC)可以在单个半导体裸芯上实现。
[0034] 图IlA示出在一些实施例中，半导体裸芯可以包括在其基板上实现的多于一组的 功率放大器、低噪声放大器和发射/接收开关。
[0035] 图IlB示出在一些实施例中，功能上类似的组件可以通常一起实现在半导体裸芯 的基板上。
[0036] 图12描绘具有如在此描述的一个或多个特征的示例模块。
[0037] 图13示出具有多输入多输出(ΜΙΜΟ)功能的示例模块。
[0038] 图14示出具有如在此描述的一个或多个特征的示例无线设备。
[0039] 图15示出具有如在此描述的一个或多个特征的另一个示例无线设备。
【具体实施方式】
[0040] 在此提供的标题，若有的话，仅为了方便，且并不一定影响所要求保护的发明的范 围或含义。
[0041] 在此公开涉及实现用于无线局域网（WLAN)应用的前端(FE)集成电路（IC)的各种 示例。尽管在这种射频(RF)应用中进行描述，但是将理解本公开的一个或多个特征也可以 实现用于其它类型的RF应用，包括但不限于蜂窝应用。
[0042] 作为WLAN设计的具体示例，在此公开了涉及具有基于硅锗（SiGe)BiCMOS的、可以 增强802. Ilac WLAN前端设计的5-6GHz前端IC的高度集成的单芯片的示例。在这种具体示 例的上下文中，可以基于SiGe BiCMOS技术实现高度集成的4.9-5.9GHz单芯片前端IC (FEIC)。这种单芯片可实现在例如1.6mm2的芯片区域以及1.7 X 2.0 X 0.33mm3的紧凑封装 中。在这种FEIC中，发射(Tx)链可以具有大于30dB的增益，并且在3.3V电源的情况下满足高 达15dBm的大约-40dB DEVM(动态误差向量幅度）以及高达17dBm的大约-35dB DEVM。这种 FEIC也可以对调制带宽和占空比实质上不敏感。前述的超低后退(back-off )DEVM可以使能 例如1024-QAM应用。如在此描述的，集成的对数检测器可以增大用于发射功率控制的动态 范围。接收(Rx)链可以包括小于2.8dB的噪声系数(NF)，以及具有3dBm IIP3(输入三阶截 点）的15dB增益，以及具有24dBm IIP3的8dB旁路衰减。如在此描述的，前述的特征中的一些 或全部可以增强复杂802. Ilac无线电通信的前端电路设计。将理解，本公开的一个或多个 特征也可以使用设计和/或性能参数的其他数值或范围来实现。
[0043]例如WLAN应用的RF应用是数据通信技术中的快速发展领域的示例。在较早的设计 中，WLAN无线电通信被实现用于计算机网络，但是当前WLAN设计正用在许多其他通信电子 设备中。可以通过发展和应用多输入多输出(MMO)技术以将数据速率例如从较早的54Mbps 的单输入单输出（SISO)无线电通信增加至108Mbps，来解决对更多带宽以及更高吞吐率的 需求。
[0044]对于更宽带宽和更高数据吞吐量的进一步需求，例如802. Ilac标准的技术可以提 供高达780Mbps的每次发送/接收能力。进一步地，当802.1 Iac无线电通信操作在MMO模式 中时，数据速率可以高达6Gbps。
[0045] 较早代的WLAN和MM)无线电通信通常操作在2.4-2.5GHz b/g频带中。随着对带宽 和更高数据吞吐率的需求持续增加，在更新进的计算机和便携式通信电子设备中使用双频 带WLAN无线电通信。使用双频带WLAN无线电通信的理由包括例如高频带(例如，操作在4.9-5.9GHz的无线电通信频带)可以提供更多频率通道的特征。此外，双频带WLAN无线电通信可 以配置为支持并行操作，由此允许低和高频带无线电通信同时操作，并且因此导致显著的 增加的数据吞吐量。
[0046] 图1示出具有收发器/基带块102、第一频带块104、第二频带块106、以及双工器块 108的双频带前端(FE)系统的示例，实现所述双频带前端(FE)系统100以为WLAN应用提供双 频带功能。出于在此描述的目的，将理解，给定的频带其中可以具有一个或多个信道。
[0047] 在图1的示例中，收发器/基带块102可以配置为提供用于频带的基带和收发器功 能，该频带包括与第一和第二频带块104、106相关联的频带。如图1所示，这种块可以配置为 生成通过第一和第二频带块104、106中的每一个发射的RF信号。同样如图1所示，块102可以 配置为处理通过第一和第二频带块104、106中的每一个接收的RF信号。
[0048]例如，收发器/基带块102被描绘为配置为能够处理802.11信道&、13^、11和/或 &(3。 第一频带块104被描绘为配置为执行用于b/g频带(2.4-2.5GHz)的Tx和Rx操作的低频带块。 第二频带块106被描绘为配置为执行用于频带(4.9-5.9GHz)的Tx和Rx操作的高频带块。 [0049]对于低频带块104,将发射的RF信号被示出为由收发器102生成并提供至具有一个 或多个级的功率放大器(PA)。可以从收发器102接收控制信号的控制器可以对这种PA进行 偏置。放大的RF信号可以通过例如输出匹配网络(OMN)、Tx/Rx开关以及双工器108路由至天 线端口 (ANT)。
[0050] 对于低频带块104,通过天线端口（ANT)接收的RF信号被示出为通过双工器108和 Tx/Rx开关路由至具有一个或多个级的功低噪声放大器(LNA)。可以从收发器102接收控制 信号的控制器可以对这种LNA进行偏置。LNA放大的RF信号可以路由至收发器102。
[0051] 在示例低频带块104中，Tx/Rx开关被示出为在单刀三掷(SP3T)配置中实现。所述 刀可以耦接至双工器108,并且所述三掷可以耦接至PA、LNA以及短距离个人局域网电路(表 示为BT)。
[0052]类似地，对于高频带块106,将发射的RF信号被示出为由收发器102生成并提供至 具有一个或多个级的功率放大器(PA)。可以从收发器102接收控制信号的控制器可以对这 种PA进行偏置。放大的RF信号通过例如输出匹配网络(OMN)、Tx/Rx开关以及双工器108路由 至天线端口（ANT)。
[0053]类似地，对于高频带块106,通过天线端口（ANT)接收的信号被示出为通过双工器 108和Tx/Rx开关路由至具有一个或多个级的功低噪声放大器(LNA)。可以从收发器102接收 控制信号的控制器可以对这种LNA进行偏置。LNA放大的RF信号可以路由至收发器102。 [0054]在图1的示例中，在连接至双频带天线端口（ANT)之前，低和高频带路径可以与双 工器108结合以增加每一个频带的选择性。在一些实施例中，可以通过增加图1所示的拓扑 中的一个或多个实现双频带Mnro前端(FE)设计。
[0055] 在一些无线应用中，相比于例如在计算机网络应用中利用的WLAN无线电通信，便 携式电子设备中的嵌入式WLAN无线电通信要求或指定更紧凑和集成的设计。在一些实施例 中，前端模块(FEM)通常是用于提供WLAN功能中的一些或全部的优选设计实现方式。例如， 在便携式电子设备中使用MIMO的应用中，FEM中的实现方式可以简化设计和与RF相关的印 刷电路板(PCB)布局，以及减少在多信道MMO配置中的组件的数量。
[0056] 在许多WLAN无线电通信应用中，存在具有更小尺寸的更高度集成FEM设计的趋势。 例如，高线性FEM可以在2.3X2.3X0.33mm 3QFN的封装中实现，以及这种模块可以基于其中 SiGe PA在一个裸芯上实现而绝缘体上的硅(SOI)开关LNA在另一个裸芯上实现的设计。为 了实现进一步的FEM尺寸减小，这种双芯片硅设计可以是具有挑战性的。
[0057]如在此公开的，发射(Tx)和接收(Rx)路径可以完全集成至单裸芯FEIC设计，以及 为了紧凑无线电通信前端电路设计，这种设计可以在1.7X2.0X0.33mm3的封装中实现。在 图1的示例中，这种单裸芯FEIC设计可以包括与高频带块106相关联的各种组件。在此在这 种高频带块（106)的上下文中描述各种示例;然而，将理解，也可以在单裸芯中实现其它频 带块(例如，低频带块104)中的一个或多个。
[0058] 在高频带块106的示例上下文中，单裸芯可以包括至少一个单刀双掷(SPDT)T/R开 关（112)，PA(110)以及具有旁路衰减器的LNA(IH)。在一些实施例中，开关-LNA和PA两者都 可以基于SiGe BiCMOS技术。将理解，T/R开关112可以包括其它数量的一个或多个刀和/或 一个或多个掷。
[0059] 在前述的基于SiGe BiCMOS的单裸芯设计中，PA可以实现为SiGe PA，其集成匹配 网络、滤波器、调节器和偏置电路、功率检测器以及CMOS兼容使能电路中的一些或全部。在 一些实施例中，PA可以由芯片上温度和电压补偿偏置控制电路来控制。
[0060]在图1示出的示例高频带块106的上下文中，Tx路径可以配置为操作在包括4.9-5.9GHz的范围中，并且提供大于30dB的增益。当配置用于802. Ilac操作时，Tx路径例如在-40dB DEVM及电流消耗小于190mA的情况下可以提供大于15dBm，以及在-35dB DEVM及电流 消耗小于210mA的情况下可以提供大于17dBm，从而满足256-QAM 802. Ilac的线性要求。可 以支持小于40dB低后退DEVM的示例特征，例如，1024-QAM高线性应用。
[0061 ] Tx路径设计也可以配置为对在802. Iln和802. Ilac通信中使用的占空比和调制信 号带宽不敏感。对于低功率应用，Tx路径可以配置为以如正常全功率模式中的类似线性逐 步减低线性输出功率。如在此描述的，集成对数检测器可以增加发射功率控制的动态范围。 [0062]在图1示出的示例高频带块106的上下文中，Rx路径可以配置为在噪声系数(NF)小 于2.8dB以及9mA电流消耗的情况下，在4.9-5.9GHz的范围中，对于LNA包括大于15dB的增 益。在一些实施例中，Rx路径也可以包括例如具有24dBm输入三阶截点（I IP3)的8dB旁路衰 减器，并且这种旁路衰减器可以防止接收器在高场照明条件下过载。
[0063] 在一些实施例中，如在此描述的特征中的一些或全部可以显著地简化双频带 802. Ilac无线电通信前端设计，并且使能高线性WLAN无线电通信设计。
[0064] 图2-4示出可以如何实现图1的示例高频带FECI设计（106)的PA 110、T/R开关112 以及LNA 114的示例。
[0065] 如图2所示，示例PA 110可以实现为三级放大器。总地由121、122、123指示这种级。 第一级121被示出为包括配置为通过其基极接收输入信号并通过其集电极生成放大的信号 的放大晶体管Q1。放大晶体管Ql被示出为在其基极从节点Ibbl接收其偏置信号，并在其集 电极从节点Vccl接收电源电压。第二级122被示出为包括配置为通过其基极接收输入信号 并通过其集电极生成放大的信号的放大晶体管Q2。放大晶体管Q2被示出为在其基极从节点 lbb2接收其偏置信号，并在其集电极从节点Vcc2接收电源电压。第三级123被示出为包括配 置为通过其基极接收输入信号并通过其集电极生成放大的信号的放大晶体管Q3。放大晶体 管Q3被示出为在其基极从节点lbb3接收其偏置信号，并在其集电极从节点Vcc3接收电源电 压。
[0066]注意到，使用三级a频带PA的一个重要考虑包括许多802. Ilac收发器不能直接提 供足够的线性输出功率至对应的天线的特征。在天线之前插入高增益PA允许发射器操作在 线性输出水平。在在此描述的PA 110中，PA可以由提供例如电流镜的基准电流、低功率模式 和通/断控制的集成CMOS控制器管理。
[0067]在高数据吞吐量WLAN通信操作期间，通过脉冲触发器频繁地使能和禁用PA以减少 电流消耗。这种操作配置典型地引入放大器的包括线性和增益的关键优值(key figures of merit)的动态变化的问题。在放大的数据流的最初的几微秒中前导码的幅度失真典型 地将导致调制质量的下降。在一些实施例中，在此描述的PA 110可以使用如美国专利No.8， 824,983中描述的用于快速功率放大器响应校正的预偏置方法和系统，其公开由此通过引 用整体明确地合并于此。除其他外，这种技术可以减轻PA级之间的热差异，这导致在动态操 作模式下的线性和增益两者中的很小的下降或不下降。
[0068] 如图2的示例PA中所示，SiGe PA设计芯片上匹配网络。这种芯片上匹配网络可以 通过例如使用基于测量的晶体管模型和基于大规模电磁的模型来设计和实现，以产生设计 仿真的显著增强的精确性。在一些实施例中，一个或多个带外抑制滤波电路可以集成在输 入匹配网络以及第一和第二级级间匹配网络中。双极匹配网络的L-C网络也可以有效地减 少谐波发射。
[0069] 如图3所示，示例T/R开关112可以实现为单刀双掷(STOT)开关。在图1的示例中，这 种开关的刀可以耦接至双工器1〇8(例如，在高频带块106和双工器108之间的Hi节点中）。
[0070] 第一路径(路径1)可以包括具有串联布置的多个FET的串联电路131。如所示，这种 FET的栅极、源极和漏极可以偏置，以允许串联电路131接通以用于通过RF信号，以及断开以 阻止通过RF信号。路径1节点可以是双掷中的第一个，并且可以耦接至LNA(图1中的114)。
[0071] 在图3的示例中，路径1节点可以通过包括串联布置的多个FET的分流电路141耦接 至AC接地。如所示，这种FET的栅极、源极和漏极可以偏置，以允许分流电路141在对应的串 联电路131断开时接通，以及在串联电路131接通时断开。这种分流电路可以例如提高路径1 节点和T/R开关112的其它节点之间的隔离。
[0072]类似地，第二路径(路径2)可以包括具有串联布置的多个FET的串联电路132。如所 示，这种FET的栅极、源极和漏极可以偏置，以允许串联电路132接通以用于通过RF信号，以 及断开以阻止通过RF信号。路径2节点可以是双掷中的第二个，并且可以耦接至PA(图1中的 110)。
[0073]在图3的示例中，路径2节点可以通过具有串联布置的多个FET的分流电路142耦接 至AC接地。如所示，这种FET的栅极、源极和漏极可以偏置，以允许分流电路142在对应的串 联电路132断开时接通，以及在串联电路132接通时断开。这种分流电路可以例如提高路径2 节点和T/R开关112的其它节点之间的隔离。
[0074]图3中示出的SPDT开关可以配置为支持高线性和低损耗RF路径。对于更高数据速 率和更宽带宽的操作，一个重要的设计参数是互调。为了线性化给定的开关路径，期望堆中 的每一个FET上的电压波形被均匀地分布。
[0075] 在图3的示例中，对于每一个掷开关，两个多栅极MOS开关FET被示出为被实现为构 造串联和分流路径两者，以最小化或者减少插入损耗，并最大化或增加高频处的隔离。当良 好地设计和平衡分流路径中多个堆叠的FET的寄生电容时，RF电压摆幅可以在每一个FET漏 极-源极结处均匀地分布。在一些实施例中，其它重要的设计标准可以包括例如FET带宽以 及FET堆叠数量的选择。
[0076] 最大发射功率可以通过下列等式计算或估计，
[0077]
( 1 )
[0078] 其中Z。表示测量系统的特征阻抗，Vgs表示栅极和源极(或漏极)之间的控制电压 差，Vth表示开关FET的阈值电压，以及η表示级联的开关FET的数量。
[0079] 如图4所示，示例LNA 114可以实现在共源共栅配置中，该共源共栅配置使得第一 晶体管151被配置为操作为共源极器件，并且第二晶体管152被配置为操作为共栅极器件。 更具体地，输入RF信号被示出为从节点RFin提供至第一晶体管151的栅极，并且通过的放大 的信号被示出为通过第一晶体管151的漏极输出。第一晶体管151的源极被示出为耦接至 地。来自第一晶体管151的漏极的放大的信号被示出为提供至第二晶体管152的源极以用于 进一步放大，并且这种进一步放大的信号被示出为通过第二晶体管152的漏极输出。第二晶 体管152的栅极被示出为耦接至地。第一和第二晶体管151、152被示出为从相应的节点Vgl、 Vg2被偏置。
[0080] 在图4的示例中，LNA 114被示出为包括通常由虚线框指示的旁路电路。这种旁路 电路可以包括串联布置的两个晶体管，两个晶体管之间具有电阻。两个晶体管中的每一个 被示出为使得其栅极从节点Vg3被偏置。
[0081 ] 在一些实施例中，LNA 114的前述共源共栅拓扑结构可以配置为从4.9-5.9GHz实 现足够的增益。为了减少带外干扰的影响，可以实现两个带外陷波滤波器以确保足够的带 外抑制，如图4所示。此外，为了避免高电平接收信号出现时LNA 114的饱和，可以如所示地 实现旁路衰减(例如，7-dB衰减）。
[0082]在图5-9中示出与图1中的示例高频带FEIC设计（106)相关联的各种测量。图5示出 发射和接收路径的S-参数。与发射路径相关联的曲线在图5的上部分并与左垂直轴对应，以 及与接收路径相关联的曲线在图5的下部分并与右垂直轴对应。对于接收路径曲线，更高的 实心曲线(在高于3GHz的频率处)对应于Rx增益，以及其它实心曲线对应于Rx旁路衰减。 [0083] 参见图5，注意到，对于Tx路径和Rx路径两者，频率上的增益变化都在IdB内（4.9-5.9GHz之间），其相应的增益分别大于30dB和15dB。
[0084] 在动态模式下以433Mbps使用80MHz 256QAM 802. Ilac VHT80信号来验证发射路 径的线性。如图6所示，当电源为3.3V时，发射路径在小于-40dB动态EVM和190mA电流消耗的 情况下可以提供大于15dBm，以及在-35dB动态EVM和小于210mA电流消耗的情况下可以提供 大于17dBm。注意到，对于许多1024-QAM 802.11应用，通常需要或期望小于-40dB后退DEVM 的特征。
[0085] 为了支持802. Ilac无线电通信FE设计，还需要或期望PA对各种调制带宽和数据速 率不敏感。如图7所示，使用20MHz MCS7HT20、40MHz MCS7HT40以及80MHz MCS9 HT80测试信 号验证在此描述的示例设计。仅在DEVM水平低于-40dB时观察到调制之间的变化。
[0086]用于802. Ilac无线电通信的另一个重要应用是长数据传输的使用，其可以增加数 据吞吐率。针对几百微秒的常规数据长度和4ms长的数据长度测试Tx路径。测试的Tx路径在 短数据和长数据长度传输之间并未示出显著的退化。当PA发射长数据帧时，由于晶体管结 温度随时间上升，PA的瞬时增益通常将会随时间变化。如在此描述的集成CMOS控制器可以 有效地补偿这种PA温度变化，从而最小化或减少对线性的影响。图8中示出功率检测器响 应，对于整个操作范围具有基本上线性的响应，这确保功率控制的动态范围和功率控制的 精确性。
[0087] 参见图9,注意到，Rx路径在8mA电流消耗下具有15dB增益以及2.6-2.8dB的NF。由 于芯片上带外抑制滤波器，b/g频带和a频带之间的频带选择性被测量为大于25dB，这对于 高达IOdBm的b/g频带干扰信号可以提供免疫，而5-6GHz带内NF没有任何退化。对于LNA模式 ΠΡ3被测试在3dBm处。旁路衰减为8dB，具有24dBm IIP3。
[0088]如在此通过示例描述的，用于802.1 Iac应用的高度集成的单芯片4.9-5.9GHz WLAN FEIC可以在例如1.6mm2区域内实现并实现在1.7 X 2.0 X 0.33mm3的封装中。对于PA和 切换LNA两者，这种FEIC基于SiGe BiCMOS工艺。在示例3.3V电源的情况下，发射路径在-40dB DEVM处大于17dBm的输出功率的情况下，可以实现大于30dB的增益，以及对于MCS9 VHT-80测试信号，在-35dB DEVM处，可以实现大于17dBm的输出功率，而消耗小于210mA。小 于-40dB后退DEVM的特征可以使能例如1024-QAM 802.11应用。集成的对数检测器可以确保 精确的功率控制并增加 Tx路径的动态范围。接收路径可以具有集成的15dB LNA和具有 24dBm IIP3的8dB旁路衰减器，该LNA具有小于2.8dB NF和3dBm IIP3，。前述特征中的一些 或全部可以大大简化双频带无线电通信FE设计并使能无线电面板形状系数的减小，并且因 此导致用于802. Ilac应用和许多更高线性WLAN无线电通信的复杂双频带MMO无线电通信 的简单构造。
[0089] 将理解，本公开的一个或多个特征还可以用于包括其他WLAN应用的RF应用。还将 理解，具有如在此描述的一个或多个特征的设备可以以多种尺寸实现。
[0090] 图10示出在一些实施例中，具有如在此描述的一个或多个特征的FEIC(例如WLAN FEIC)可以在单个半导体裸芯300上实现。这种裸芯可以包括基板302,其配置为允许SiGe BiCMOS工艺用于PA 110、LNA 114以及T/R开关112的形成。将理解，这种PA、LNA和/或T/R开 关可以包括如在此描述的相关电路。
[0091] 图IlA示出在一些实施例中，诸如图10的半导体裸芯的半导体裸芯300可以包括在 基板302上实现的多于一组的PA、LNA和T/R开关组合。例如，第一组可以包括第一PA 110a、 第一 LNA 114a以及第一 T/R开关112a，其在基板302上实现并配置为提供用于例如一个或多 个WLAN频带的FEIC功能。第二组可以包括第二PA 110b、第二LNA 114b以及第二T/R开关 112b，其在相同基板302上实现并配置为提供用于例如一个或多个其它WLAN频带的FEIC功 能。
[0092]在图IlA的示例中，每一个组的各种组件被示出为通常在基板302上群集在一起。 将理解，这种布置是一个示例，并不一定要求。还将理解，还可以实现组件的其它布置。例 如，图IlB示出在一些实施例中，功能上类似的组件通常可以一起实现在单个半导体裸芯 300的基板302上。在图IIB的示例中，第一和第二PA 110a、IIOb被示出为在基板302上彼此 相对接近地实现。类似地，第一和第二LNA 114a、114b被示出为在基板302上彼此相对接近 地实现。类似地，第一和第二T/R开关112a、112b被示出为在基板302上彼此相对接近地实 现。
[0093] 在一些实施例中，与PA 110a、110b、LNA 114a、114b以及T/R开关 112a、112b中的一 些或全部中的每一个相关联的功能中的一些或全部可以结合并在基板上实现。
[0094] 在一些实现方式中，在此描述的一个或多个特征可以包括在一个模块中。图12描 述具有配置为容纳多个组件的封装基板402的示例模块400。一些实施例中，这些组件可以 包括具有如在此描述的一个或多个特征的裸芯300。例如，裸芯300可以包括半导体裸芯 302,以及在其上实现PA 110、LNA 114和T/R开关112。多个连接垫304有助于例如至封装基 板402上的连接垫410的引线接合408的电连接，以有助于至裸芯300和从裸芯300的各种功 率和信号的通过。
[0095] 在一些实施例中，其它组件可以安装在或形成在封装基板402上。例如，可以实现 一个或多个表面安装设备(SMD)414。一些实施例中，封装基板402可以包括层压基板。
[0096]在一些实施例中，模块400还可以包括一个或多个封装结构，以例如提供保护和有 助于模块400的更容易的处理。这种封装结构可以包括在封装基板402上形成的外模 (overmold)并形成基本上在其中封装各种电路和组件的尺寸。
[0097]将理解，尽管在基于引线接合的电连接的上下文中描述模块400,本公开的一个或 多个特征还可以在包括倒装芯片配置的其它封装配置中实现。
[0098] 在一些实施例中，图12的模块400可以是例如诸如WLAN FE模块的FE模块。将理解， 本公开的一个或多个特征还可以在其它类型的RF模块中实现。
[0099]图13示出在一些实施例中，WLAN FE模块400可以包括多个半导体基板，每一个具 有如在此描述的一个或多个特征。例如，三个裸芯300a、300b和300c被示出为在模块400中 实现，并且三个裸芯中的每一个可以类似于在此参考图10-12描述的示例裸芯。这种裸芯可 以有助于例如用于WLAN FE模块400的MMO功能。这种MMO功能可以通过输入接口420和输 出接口 422实现。
[0100] 在一些实施例中，具有在此描述的一个或多个特征的设备和/或电路可以包括在 诸如无线设备的RF设备中。这种设备和/或电路可以直接实现在无线设备中，如在此描述地 以模块形式实现，或者以其某种组合实现。在一些实施例中，这种无线设备可以包括例如蜂 窝电话、智能电话、具有或不具有电话功能的便携式无线设备、无线平板、无线路由器、无线 接入点、无线基站等。
[0101] 图14示出具有如在此描述的一个或多个特征的半导体裸芯300可以包括在诸如具 有WLAN能力的设备500的无线设备中。如在此描述的，这种半导体裸芯可以包括PA IHKLNA 114和T/R开关112。这种半导体裸芯可以包括在WLAN FE模块400中。
[0102] 在图14的示例中，无线设备500还可以包括收发器522,用于生成由PAllO放大并通 过天线520发射的RF信号，并且用于处理通过天线520接收以及由LNA 114放大的接收的RF 信号。无线设备500还可以包括配置为提供各种控制功能的处理器524。
[0103] 在一些实施例中，具有如在此描述的一个或多个特征的FE模块可以实现在具有例 如蜂窝功能的无线设备中。图15示意性地描绘具有在此描述的一个或多个有利特征的示例 无线设备500。具有拥有PA IHKLNA和T/R开关112的裸芯300的WLAN FE模块400可以包括在 无线设备500中。这种WLAN FE模块可以有助于通过天线520发射放大的RF信号以及处理来 自天线520的接收的RF信号。要发射的这种RF信号可以由收发器510生成；以及相同收发器 可以处理由WLAN FE模块400放大的接收的RF信号。
[0104]在一些实施例中，收发器510可以配置为还生成要发射的蜂窝RF信号，并处理接收 的蜂窝RF信号。一个或多个PA 530可以从收发器接收它们相应的RF信号。收发器510被示出 为与基带子系统508交互，基带子系统508配置为在适合于用户的数据和/或语音信号与适 合于收发器510的RF信号之间提供转换。收发器510还被示出为与功率管理组件506连接，功 率管理组件506配置为管理无线设备500的操作的功率。这种功率管理还可以控制基带子系 统508的操作。
[0105]基带子系统508被示出为连接至用户接口 502以有助于提供至用户以及从用户接 收的各种语音和/或数据输入和输出。基带子系统508还可以连接至存储器504,存储器504 配置为存储数据和/或指令以有助于无线设备的操作，和/或为用户提供信息存储。
[0106] 在示例无线设备500中，PA 530的输出被示出为进行匹配并且通过它们相应的双 工器512a-512d以及频带选择开关514路由至天线516。频带选择开关514可以配置为允许例 如操作频带或操作模式的选择。在一些实施例中，每一个双工器512可以允许使用公共天线 (例如516)同时执行发射和接收操作。图15中，接收信号被示出为路由至可以包括例如低噪 声放大器(LNA)的"Rx"路径。
[0107] 在在此描述的各种示例中，在4.9-5.9GHz WLAN频率范围的示例上下文中描述 FEIC。然而，将理解，本公开的一个或多个特征还可以使用其它WLAN频率和/或频率范围实 现，包括使用IEEE 802.11协议的任何信道。这种信道可以是例如2.4GHz、3.6GHz、4.9GHz、 5GHz和5.9GHz频带的多个部分。
[0108] 除非上下文清楚地另外要求，贯穿整个说明书和权利要求，词语"包括"和"包含" 等应解释为包含性的含义，而非排他性或穷举性的含义;也就是说，以"包括，但不限于"的 含义。如这里通常使用的，词语"耦接"指代两个或多个元件可以直接连接或通过一个或多 个中间元件连接。此外，当在本申请中使用时，词语"这里"、"上面"、"下面"和类似意思的词 语应指代本申请整体，而非本申请的任何特定部分。如上下文允许，上面的详细描述中的、 使用单数或复数的词语还可以分别包括复数或单数。词语"或"参考两个或多个项目的列表 时，该词语覆盖该词语的全部下列解释:列表中的任何项目，列表中的全部项目以及列表中 的项目的任何组合。
[0109] 本发明的实施例的上面的详细描述不意图是穷举性的或将本发明限制为上面公 开的精确形式。如相关领域技术人员将理解的，虽然为了说明的目的在上面描述了本发明 的具体实施例和示例，在本发明的范围内各种等效修改是可能的。例如，虽然以给定顺序呈 现处理或方框，替换实施例可以进行具有不同顺序的步骤的例程，或采用具有不同顺序的 方框的系统，并且可以删除、移动、添加、细分、组合和/或修改一些处理或方框。可以以各种 不同方式实现这些处理或方框中的每一个。此外，虽然处理或方框有时被示出为串行进行， 可替换地，这些处理或方框可以并行进行，或者可以在不同时间进行。
[0110] 这里提供的本发明的教导可以应用于其他系统，不一定是上面描述的系统。可以 结合上面描述的各种实施例的元件和动作以提供进一步的实施例。
[0111] 虽然已描述了本发明的某些实施例，但是这些实施例仅通过示例呈现，并且不意 图限制本公开的范围。实际上，这里描述的新方法和系统可以以各种其他形式具体体现;此 外，可以做出以这里描述的方法和系统的形式的各种省略、替代和改变，而不背离本公开的 精神。所附权利要求及其等效物意图覆盖将落入本公开的范围和精神内的这种形式或修 改。
【主权项】
1. 一种半导体裸芯，包括： 半导体基板； 功率放大器，在该半导体基板上实现，并且配置用于与频率范围相关联的无线局域网 (WLAN)发射操作； 低噪声放大器（LNA)，在该半导体基板上实现，并且配置用于与该频率范围相关联的 WLAN接收操作；以及 发射/接收开关，在该半导体基板上实现，并且配置为有助于该发射和接收操作。2. 如权利要求1所述的半导体裸芯，其中该频率范围包括4.9GHz至5.9GHz的WLAN频率 范围。3. 如权利要求1所述的半导体裸芯，其中该半导体基板配置为允许硅锗（SiGe)BiCMOS 工艺技术的实现。4. 如权利要求3所述的半导体裸芯，其中该功率放大器实现为SiGe功率放大器。5. 如权利要求4所述的半导体裸芯，其中该SiGe功率放大器包括多个级。6. 如权利要求5所述的半导体裸芯，其中该多个级包括具有第一放大晶体管的第一级， 具有第二放大晶体管的第二级以及具有第三放大晶体管的第三级。7. 如权利要求6所述的半导体裸芯，其中该第一放大晶体管、第二放大晶体管和第三放 大晶体管中的每一个配置为通过其基极接收输入信号并通过其集电极生成放大的信号，使 得用于该SiGe功率放大器的输入射频(RF)信号提供至该第一放大晶体管的基极，并且通过 该第三放大晶体管的集电极获得来自该SiGe功率放大器的放大的RF信号。8. 如权利要求5所述的半导体裸芯，还包括一个或多个匹配网络电路，其在该多个级之 前、级之间和/或该多个级之后实现。9. 如权利要求5所述的半导体裸芯，还包括CMOS控制器，其配置为为该SiGe功率放大器 提供控制功能。10. 如权利要求5所述的半导体裸芯，还包括一个或多个偏置电路，其配置为提供偏置 信号至该多个级。11. 如权利要求10所述的半导体裸芯，其中该一个或多个偏置电路中的至少一些配置 为提供裸芯上温度和电压补偿功能中的任一个或两者。12. 如权利要求5所述的半导体裸芯，还包括功率检测器，其配置为测量与该SiGe功率 放大器相关联的功率。13. 如权利要求12所述的半导体裸芯，其中该功率检测器包括对数检测器。14. 如权利要求3所述的半导体裸芯，其中该LNA实现在具有第一晶体管和第二晶体管 的共源共栅配置中。15. 如权利要求14所述的半导体裸芯，其中该第一晶体管配置为作为共源极器件操作， 并且该第二晶体管配置作为共栅极器件操作。16. 如权利要求15所述的半导体裸芯，其中该LNA配置为使得输入RF信号被提供至该第 一晶体管的栅极，并通过该第一晶体管的漏极输出该放大的RF信号，来自该第一晶体管的 漏极的放大的信号被提供至该第二晶体管的源极用于进一步放大，并通过该第二晶体管的 漏极输出。17. 如权利要求16所述的半导体裸芯，其中该LNA包括实现在该第一晶体管的栅极和该 第二晶体管的漏极之间的旁路电路。18. 如权利要求17所述的半导体裸芯，其中该旁路电路包括串联布置的第一和第二晶 体管，并且在该第一和第二晶体管之间实现衰减阻抗。19. 如权利要求17所述的半导体裸芯，其中该LNA还包括一个或多个陷波滤波器。20. 如权利要求3所述的半导体裸芯，其中该发射/接收开关实现为包括与天线通信的 刀，与该LNA通信的第一掷以及与该功率放大器通信的第二掷。21. 如权利要求20所述的半导体裸芯，其中该发射/接收开关包括在该刀和该第一掷之 间的第一串联路径，以及在该刀和该第二掷之间的第二串联路径。22. 如权利要求21所述的半导体裸芯，其中该第一和第二串联路径中的每一个包括多 个场效应晶体管(FET)，该多个场效应晶体管串联布置并且配置为接通以用于通过RF信号 以及断开以用于阻止通过RF信号。23. 如权利要求22所述的半导体裸芯，其中该发射/接收开关还包括在该第一掷和AC接 地之间的第一分流路径，以及在该第二掷和该AC接地之间的第二分流路径。24. 如权利要求23所述的半导体裸芯，其中该第一和第二分流路径中的每一个包括多 个FET，该多个FET串联布置并且配置为当对应的串联路径断开时接通，以及当该串联路径 接通时断开。25. 如权利要求24所述的半导体裸芯，其中该第一和第二串联路径以及该第一和第二 分流路径中的每一个FET实现为具有多栅极配置的MOSFET器件。26. -种用于制造半导体裸芯的方法，该方法包括： 形成或提供半导体基板； 在该半导体基板上实现功率放大器，该功率放大器配置用于与频率范围相关联的无线 局域网(WLAN)发射操作； 在该半导体基板上形成低噪声放大器（LNA)，该LNA配置用于与该频率范围相关联的 WLAN接收操作； 在该半导体基板上实现发射/接收开关，该发射/接收开关配置为有助于该发射和接收 操作。27. -种射频(RF)模块，包括： 封装基板，配置为容纳多个组件； 前端集成电路(FEIC)，在安装在该封装基板上的裸芯上实现，该裸芯包括半导体基板， 该裸芯还包括在该半导体基板上实现并且配置用于与频率范围相关联的无线局域网 (WLAN)发射操作的功率放大器，该裸芯还包括在该半导体基板上实现并且配置用于与该频 率范围相关联的WLAN接收操作的低噪声放大器(LNA)，该裸芯还包括在该半导体基板上实 现并且配置为有助于该发射和接收操作的发射/接收开关。28. 如权利要求27所述的RF模块，其中该频率范围包括4.9GHz至5.9GHz的高WLAN频率 范围。29. 如权利要求28所述的RF模块，还包括安装在该封装基板上的第二裸芯，该第二裸芯 包括配置用于与第二频率范围相关联的发射和接收操作的FEIC，该FEIC包括功率放大器、 LNA和发射/接收开关。30. 如权利要求29所述的RF模块，其中该第二频率范围包括2.4GHz至2.5GHz的低WLAN 频率范围。31. 如权利要求30所述的RF模块，其中该第二裸芯的发射/接收开关配置为允许通过该 第二裸芯路由与短距离个人局域网相关联的RF信号。32. 如权利要求30所述的RF模块，还包括双工器，其实现为允许该RF模块在该高和低 WLAN频率范围中同时操作。33. 如权利要求30所述的RF模块，还包括配置用于在该高WLAN频率范围中操作以提供 多输入多输出(MHTO)功能的裸芯中的一个或多个。34. -种无线设备，包括： 收发器； 前端集成电路(FEIC)，与该收发器通信并实现在裸芯上，该裸芯包括半导体基板，该裸 芯还包括在该半导体基板上实现并且配置用于与频率范围相关联的无线局域网(WLAN)发 射操作的功率放大器，该裸芯还包括在该半导体基板上实现并且配置用于与该频率范围相 关联的WLAN接收操作的低噪声放大器(LNA)，该裸芯还包括在该半导体基板上实现并且配 置为有助于该发射和接收操作的发射/接收开关；以及 与该裸芯通信并且配置为有助于该发射和接收操作的天线。35. 如权利要求34所述的无线装置，其中该FEIC实现在前端模块上。36. 如权利要求34所述的无线装置，还包括配置用于蜂窝发射和接收操作的蜂窝FEIC 和蜂窝天线。
【文档编号】H04W88/02GK105915256SQ201610210504
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月7日
【发明人】C-W·P·黄, L·拉姆, M·M·多尔蒂, M·J·麦克帕特林
【申请人】天工方案公司