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CN1736034A - 无晶体振荡器的收发器 - Google Patents

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CN1736034A
CN1736034A CNA038250780A CN03825078A CN1736034A CN 1736034 A CN1736034 A CN 1736034A CN A038250780 A CNA038250780 A CN A038250780A CN 03825078 A CN03825078 A CN 03825078A CN 1736034 A CN1736034 A CN 1736034A
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Abstract

一种射频收发器(图1，1、11)，这种收发器具有至少一个射频集成芯片(1)，一个基准振荡器(图2，80)和一个锁相振荡器(图2，82)，它利用非晶体谐振器结构来代替晶体振荡器以便产生基准振荡器频率功能和锁相振荡器频率功能。包括体声波(BAW)谐振器的薄膜腔声谐振器(FBAR)结构与该RFIC单片集成或者倒装，从而减小了收发器的尺寸、重量和成本。该RF收发器可以是TDMA或CDMA收发器。

Description

无晶体振荡器的收发器
技术领域
本发明通常涉及多频带射频(RF)收发器，尤其涉及在一个或多个收发器射频集成芯片(RFIC)上具有一个或多个谐振器的多频带射频收发器结构，该谐振器具有适度值(例如400到8000)的品质因子。更具体而言，本发明涉及无晶体(crystal-less)振荡器RF收发器和谐振器结构以取代在RF收发器中的压控振荡器(VCO)和基准振荡器内使用的晶体。
发明背景
移动电话不断向多频带应用迁移和发展。预计这些多频带应用需要在收发器中组合几个不同或复杂调制方法，例如，全球演进的增强型数据速率(EDGE)频率调制和幅度调制。更复杂的方式是在移动电话中提高特征和业务集成度的趋势。高集成度的激励导致大多数功能现在被集成在一个或多个RFIC中以减少尺寸或避免移动电话尺寸变大这个状况。这些功能包括例如，上/下变频器，LAN，锁相环(PLL)，放大器/缓冲器，和其它这样的在无线通信系统中使用的设备和装置中的功能部件。根据选择的无线电结构，在收发器中需要多个不同的振荡器以提供上/下变频、信道选择和对给定系统的调制和调制方法。
当前已知的诸如在蜂窝通信系统中使用的之类的多频带RF收发器通常使用晶体谐振器振荡器。不同的晶体谐振器振荡器的数量是收发器成本和尺寸的主要根源，并且对性能起最大的作用。通常，多个晶体谐振器以分离部件或振荡器模块的方式被分开包装并安装在主板上。晶体谐振器包装通常还包括用于振荡器的调谐和放大电子设备。晶体谐振器包装给收发器增加了重量，并且如果收发器坠落，由于大量包装和安装的部件以及附加装置承受这种压力的能力，晶体和谐振部件容易容易受到震动或冲击压力的影响而损坏。一种减小收发器尺寸的方法是选择诸如使用最小数量的振荡器的直接转换和调制方法，并因此能比其它RF结构节省空间和体积的这类RF结构。进一步集成的尝试是通常在具有PLL的同一芯片上集成基准振荡器的放大器功能，然而，晶体本身被留作外部部件，也就是说，没有与PLL芯片集成。此外，首先由于在集成中要与大多数经常使用的半导体兼容，例如硅和砷化镓技术，一些要求的部件功能不适合并且很难小型化、混合和集成，例如来自晶体和谐振器的这些功能。
在多频带射频收发器中优选的是基于晶体的振荡器，因为它们对基准振荡器功能提供高的Q值。当由于集成电路技术的发展，改进和实现，诸如在PLL中的相位检测器这样的支持部件功能在更高频率上运行时，同样要求提高基准振荡器频率。期望实现较高频率和尺寸减小的目标，制造需要物理上很小、轻并具有紧密容限特征的晶体日益困难。此外伴随机械制造方面出现困难，例如晶体抛光、精度切割和例如通过有线或引线结合/联结技术这类的触点联结。
另一个缺点是通常在包装基准晶体或基准振荡器模块内的晶体中使用的诸如有线结合这类的包装方法，导致需要在收发器或基准振荡器模块制造期间和/或之后的校准。通常，借助于在调整振荡器的中心频率时使用的可变电容器作这个校准。同样，由于在VCO中使用的低Q值谐振器的不准确性，需要在VCO振荡器模块的制造过程中校准中心频率。读者可以参考在文献资料中可用的课本和科技刊物以进一步获得与涉及性能的设计问题相关的详细信息，以及晶体和晶体振荡器的限制和它们各自操作限制的附加解释。
此外，由于不同材料的兼容要求，例如诸如当前在IC集成中最广泛使用介质的硅和包含在晶体中的石英之间，或铌酸锂SAW谐振器或钽酸锂SAW谐振器之间，这些例子仅仅是实例中的一些，高Q(＞10000)值谐振器的单片集成(monolithic integration)在技术上是不可行的。
因此期望提供一种无晶体谐振器结构和一种谐振器实现方法，用于取代在VCO和基准振荡器中的晶体，该振荡器包括压控、温控晶体振荡器(VC(TC)XO)。期望无晶体谐振器结构实现为集成或倒装(flip chip)在RFIC或RFIC顶部上的基于薄膜的谐振器(FBAR，BAW)，该RFIC或多个RFIC可能包括在TDMA系统中使用的锁相环PLL或者可能例如在CDMA系统所要求的具有同时发送和接收能力的收发器中需要的多个PLL芯片。把附加的RF频带功能集成进收发器中要求一个或多个附加的振荡器/晶体功能，该附加的振荡器/晶体功能进一步增加了收发器成本和复杂度，附加的RF频带功能例如是全球定位系统(GPS)能力。因此也期望使用无晶体谐振器结构实现这样的附加RF频带功能。
因此本发明的一个目标是基于可能包括一个PLL或多个PLL的一个RFIC或多个RFIC提供高度微型化的RF收发器，该一个PLL或多个PLL包括与RF收发系统中使用的一个PLL或多个PLL一起倒装或单片集成在同一芯片上的基准振荡器和VCO或多个VCO所有必需的以FBAR(薄膜腔声谐振器)或BAW(体声波谐振器)形式的谐振器。
发明概要
很明显本发明的优点是较小的尺寸、较少数量的部件和很轻的谐振器以节约成本和提供坚固性以防止便携式收发器设备的冲击/坠落。
在本发明的第一个方面中，具有至少一个射频集成芯片(RFIC)，一个基准振荡器和一个锁相振荡器的这种类型的射频(RF)收发器，使用第一谐振器结构作为基准振荡器以及使用第二谐振器结构作为锁相振荡器。
优选地，第一谐振器结构是第一薄膜腔声谐振器(FBAR)结构并且第二谐振器结构是第二薄膜腔声谐振器(FBAR)结构。
优选地，第一和第二FBAR结构与RFIC芯片单片集成。
优选地，第一和第二FBAR结构被倒装在RFIC芯片上。
优选地，第一谐振器结构和第二谐振器结构是体声波谐振器(BAW)结构。BAW谐振器结构可以是用薄膜技术制造的类型，或者可替换地是包括但不限于厚膜(thick film)技术或其它膜层制造技术的任何合适的制造技术的类型。
优选地，第一和第二谐振器结构的品质因数(Q)具有一个大约400到8000范围内的值。
优选地，RFIC芯片还包括锁相环(PLL)芯片。
附图简述
从下面结合附图对本发明所作的书面描述中，本发明的其它目标，特征和优点强变得更加明显，其中：
图1是基于直接变换RF结构的时分多址(TDMA)收发器的功能框图，该直接变换RF结构使用可以应用本发明的类型的基准振荡器和压控振荡器；
图2是分别自压控晶体振荡器(VCXO)和VCO的载波频率特性的偏移相对相位噪声的图示；
图3是相位噪声相对自PLL的载波频率特性的偏移的图示；
图4是典型基准振荡器的相位噪声特性的图示；
图5是典型的超高频压控振荡器(UHFVCO)的相位噪声特性的图示；
图6是第一基本FBAR/BAW谐振器结构的示意图；
图7是第二基本FBAR/BAW谐振器结构的示意图；
图8是超高频压控振荡器(UHFVCO)的相位噪声特性相对FBAR谐振器的在600到1200范围内的Q值的图示，该谐振器具有在1千赫兹偏移频率上的典型功率信号(Psig)；
图9是在常规晶体振荡器中的相位噪声特性的图示，该振荡器运用具有600到1200范围内的Q值的FBAR谐振器以取代晶体；
图10是与RFIC单片集成以提供收发器振荡器的FBAR谐振器的一个实施例的示意图；
图11是倒装在RFIC上以提供收发器振荡器的FBAR谐振器的可替换实施例的示意图。
优选实施例详述
现在返回到附图并进一步详细考虑本发明，附图中说明了可以应用本发明的类型的常规时分多址(TDMA)RF收发器的示意功能框图并通常被标为10。RF收发器领域中的技术人员将会认识到和理解，除了在TDMA收发器中运用本发明，例如还可以在码分多址(CDMA)中或其它现在已知或将来开发的多址技术中运用本发明。在图1中说明的TDMA RF收发器10基于直接变换RF结构，在该结构中需要最小数量的两个振荡器来产生期望的频率。在图1中，在虚线框12中所示的频率合成器使用锁相环(PLL)产生期望的频率，本领域内的技术人员通常很明白PLL的操作，并且因此为了比较的目的和为了更充分的了解本发明无晶体收发器和谐振器结构的操作和益处，仅仅在这里描述到理解在这里使用的晶体振荡器的特性和典型操作参数所需的程度。在图1所示的例子中，要求通常被标为20的基准频率振荡器维持通常标为50的被锁定的第二振荡器的相位。第二振荡器50通常是压控振荡器(VCO)或超高频压控振荡器(UHFVCO)。基准频率振荡器20通常是能够通过将晶体22用作谐振器来产生10到50兆赫范围内的频率的晶体振荡器。晶体谐振器22有一个相对高的Q值，该值在10,000到30,000的范围内。基于多种因素来选择基于晶体的基准振荡器的频率，所述多种因素包括相位检测器的速度和PLL的稳定或锁定时间。第二振荡器或UHFVCO50通常在大约500兆赫到5千兆赫的频率上操作，并且有一个在大约20-60范围内的相对低的Q值。UHFVCO50谐振器通常由在印刷线路板(PWB)上或直接例如象在使用一个或几个最厚金属层的硅或砷化镓集成电路上实现的线圈和/或谐振器组成，该线路板例如象系统和/或振荡器模块主板之类。集成电路还可以包含压控和放大电路的变容二极管(varactor)或类似功能部件。
在图1中，在基准频率振荡器20的输出24上的频率被输入到频率分割器(divider)26以产生期望的较低频率，该较低的频率被馈送到相位检测器30的输入28。相位检测器30的输出32运载了由电压或电流表示的环路误差，并且被输入到环路滤波器34，环路滤波器的输出被耦合到VCO50的输入40以调整在VCO50的输出42上的频率(相位)。VCO50的输出42同样被耦合到位于在VCO50和相位检测器30之间的环路反馈路径上的分割器60的输入。分割器60可以是整数或分数分割器，但通常分割器60是多模分割器以向PLL提供较小的阶和较快的稳定时间能力。可选地，通常被标为70的∑Δ调制器功能可以被放置在频率分割器26的输出和分割器60的输入62之间的路径上，以提供更快的稳定时间或锁定时间和具有更好准确性的较小增量阶。
FBAR或SAW谐振器需要复制基于晶体的谐振器的操作特性以提供所期望的组合，即增加基准振荡器频率、更高集成水平、较小尺寸和以更快的速度更低的成本更可预测的运行、以及最小的部件数量和至少在同一噪声性能级别上的组合。下面讨论的是在RF收发器中使用的基于晶体的振荡器和PLL的各种特性。通常在低频上基于晶体的振荡器有比压控振荡器(VCO)低的相位噪声。相反，与VCO相比，基于晶体的振荡器在较高频率上具有较高的相位噪声和自载波噪声层的偏移。参考图2，其中说明了相位噪声相对自基于晶体的基准振荡器载波频率特性(被标为80)的偏移的图形表示形式，和相位噪声相对自压控振荡器载波频率特性(被标为82)的偏移的图形表示形式。可以看到由曲线80表示的基于晶体的振荡器的特性与VCO相比，在较低的频率上具有较低相位噪声，并且还可以看到由曲线82表示的VCO特性与基于晶体的振荡器相比，在较高的频率上具有较低的相位噪声。
在便携式PLL RF收发器中，VCO频率和基准振荡器相位一起被锁定。基准振荡器确定在PLL带宽内的PLL相位噪声，并且VCO是PLL带宽外PLL相位噪声的主要贡献者。当在PLL中使用具有相对高Q值的基于晶体的基准振荡器和具有例如在图2中所示的相位噪声特性的VCO时，在图3中可以看到，标为86的PLL的相位噪声特性由标为84的VCO的相位噪声特性和标为88的基于晶体的基准振荡器的相位噪声特性组成。使用具有很高Q值因子的晶体谐振器的基于晶体的基准振荡器在相对小的偏移上提供很低的相位噪声，例如在自载波频率的1kHz偏移上。
正如下面所讨论的，这里也有对PLL相位噪声作贡献的其它元件。已经知道振荡器的频谱密度L取决于谐振器的品质因子Q、中心频率f0＝w0/(2π)、自中心频率的偏移Dw0和载波频率的功率(Psig)，正如下面公式所定义的：
L = [ 2 kT P sig ( w 0 2 QD w 0 ) 2 ]
其中T是温度，k是玻尔兹曼常数。该公式解的曲线图与图3中说明的曲线一致。然而在和振荡器的同一偏移频率和信号电平上，较高Q值产生较低的频谱密度，并且因此有较低的相位噪声，这是清楚的。同样可知在基于PLL的系统中的总相位噪声包括VCO相位噪声、基准振荡器相位噪声、来自环路滤波器中部件的热噪声和设备噪声、来自需要产生期望频率的频率分割器的噪声、和频率/相位检测器的噪声。
对于正如分别由标定为90，92和94的曲线所表示的那样在1，2和4千兆赫的中心频率，在图4中展示了典型已知的具有在1kHz偏移上的典型功率信号(Psig)的压控振荡器相位噪声特性相对Q值的图，该压控振荡器使用一个开/闭片状线圈或微带或带状线谐振器。在一些特定情况中，Q值可以在40-60的范围内。对于正如分别由标定为96，98和100的曲线所表示的一样在10，20和30兆赫的中心频率，在图5中展示了典型已知的具有在1kHz偏移上的典型Psig的压控晶体振荡器相位噪声特性相对Q值的图。
根据特定结构用通常具有6到15掩模层工艺的微电子技术制造薄膜FBAR(薄膜腔声)或BAW(体声波)谐振器，诸如由本发明所预期的用在RF收发器中代替晶体的那些。图6展示了通常标定为110的FBAR谐振结构的示意图，其中通常标定为112的声学反射镜位于谐振器114下面以便在该结构和通常标定为116的基底之间提供声学隔离。谐振器114包含诸如Aln、ZnO、PZT或可以是能够完成预期功能的任何适当类型的任何其它压电材料之类压电材料的层118。谐振器还包括在压电层118一个面上的外部或顶部电极120和在压电层118另一个面上的下部或底部电极122，该另一个面与顶层相对放置并面向声学反射镜112。声学反射镜112由在底部电极122和基底116之间的一堆交替的高声阻抗层124和低声阻抗层126组成。声学反射镜112使谐振器114自由谐振。谐振器114的谐振频率由压电层118的厚度确定。基底116通常是硅，砷化镓，玻璃或合适的本领域内公知的绝缘材料。取决于测量精度和Q值的定义，FBAR谐振器的品质(Q)因子会变化，通常在500-1200范围之间，但甚至是在7700或更高范围内的高Q值，近来已经在韩国的工程、信息、和通信大学的学院中，在由Park等人撰写的题为“Film Bulk Acoustic ResonatorFabrication for RF Filter Application(制造薄膜腔声谐振器用于RF滤波器应用)”的论文中报告了，该论文在2000年4月6日被接受出版，其公开内容通过参考在此引入。图7示意图形式展示了通常标定为130的另一示例FBAR谐振器结构，该结构与图6所示类似，并且相同的标记指示相同的部件。谐振器114的底部电极122位于或者另外安装在空腔或桥的开口134上，空腔或桥通常标为132，并且在基底116上形成，从而使谐振器自由谐振。空腔132也被称为空气腔。
参考图8，对于正如分别由曲线150，152和154表示的那样在1，2和4千兆赫上的中心频率，在这里与BAR谐振器的在600到1200范围内的Q值相对说明了超高频压控振荡器(UHFVCO)的相位噪声特性，FBAR谐振器具有在1KHz偏移频率上的典型功率信号(Psig)。注意到如果振荡器功率和谐振频率保持一样，在VCO相位噪声上会有一个明显的改善或降低。通过比较正如在图4所示的在例如是10到50MHz之间的低振荡频率上的典型的已知基于晶体的基准振荡器的相位噪声特性和正如图8所示基于FBAR的谐振器Q值和典型VCO信号电平的VCO相位噪声，可以发现当谐振频率足够高时，相位噪声特性互相接近。唯一不同的因素是谐振频率和典型信号电平。
在基准振荡器中用FBAR或BAW谐振器结构取代晶体会由于低Q值(QFBAR～400到1200对Q晶体～10000到30000)导致相位噪声的显著增加。当振荡器的振荡频率和信号电平基本维持在与图9所示相同时，该增加被证实。然而，FBAR谐振器的谐振频率由压电材料层的厚度确定，其中该层越薄，谐振频率越高。在低于400MHz频率上谐振的谐振器对制造而言是不实际的，因为使用例如淀积和/或喷镀技术应用压电层要求很长的制造时间。因此在图9中所示的状况是在时间理论上的现状，并且呈现出来以便展示降低Q值对振荡器相位噪声的效果。随着更新的制造技术和工艺的发展，可以预见制造这样的谐振器将变得实际以及可利用，并且因此本发明考虑了这样未来的发展。
通过由FBAR谐振器产生的100到400MHZ的分频以获得基准振荡器所需的较低频率，实现了在相位噪声中大约20dB/十的进一步减少。例如单独5GHz到50MHz的分频可以将相位噪声降低40dB。然而，分频过程也可以对振荡器的最终相位噪声提供额外的噪声，但是这个影响可以通过仔细的设计最小化，例如通过选择合适的、具有噪声优化偏置部件或使用噪声消除法。然而，更新的创新和新的快速稳定PLL，例如基于分数分频，允许使用与整数PLL相比较高的基准频率，并且因而最小化或基本消除了对基准振荡器频率的分频需要。较高频率的基准振荡器和快速稳定PLL的另外的优点是减小功损，因为只有更少的部件需要加电。
上述因素使得用具有在大约400MHz到5GHz范围内的高频和在大约400到1200和直到7700范围内的中间值Q品质因子，基于薄膜FBAR谐振器的振荡器，来取代低频，典型为10到50MHz的具有在大约10000到30000范围内的相对高值Q品质因子的基于晶体的基准振荡器成为可能，并且在以较小尺寸、较低部件数量和由于降低了谐振元件的重量增强了防止冲击和坠落的坚固性，在便携式收发器中实现了至少性能相同的PLL和频率合成器。
从RF系统规范和可制造性的观点来说，即，FBAR谐振器压电层的厚度，获得足够高的频率是可能的，例如在上面的例子中的5GHz，它对在收发器中的基准和UHFVCO振荡器两者都提供了足够低的相位噪声特性。如果对基准振荡器和UHFVCO振荡器两者都使用同一振荡频率，使用上述的FBAR谐振器对基准和VCO振荡器或仅仅对基准振荡器的谐振器全部单片集成或倒装都是可能的。只对高频(＞3GHz)基准振荡器使用FBAR谐振器也是可能和实际的，因为从相位噪声性能的观点来看，目前已知的基于低Q的UHFVCO解决方案是让人满意的。
使用中间品质因子，FBAR或BAW谐振器单片集成或倒装在与RFIC(多个RFIC)一样的半导体基底或多个基底上，其它所需的收发器功能位于RFIC(多个RFIC)上，从而导致最终的微型化、减小芯片尺寸(多个尺寸)、和较少部件数量，最小化材料的使用和包装，因而使成本最小化。
图10示意性地说明了FBAR谐振器182一个可能的实施例，通常被标为180，该谐振器与RFIC 184单片集成在一起以提供基准振荡器频率功能，并且FBAR谐振器186与RFIC184单片集成在一起以提供VCO频率振荡器功能。图11示意性地说明了FBAR谐振器192一个可能的实施例，通常被标为190，该谐振器倒装到RFIC194以提供基准振荡器频率功能，并且FBAR谐振器196倒装到RFIC194以提供VCO振荡器频率功能。
通过倒装在包括PLL功能的RFIC上或与振荡器(多个)很近或物理上很紧的多个RFIC上结合FBAR谐振器(多个谐振器)，是成本有效的设计并且实现了对全部集成的选择。由于FBAR和单片集成增加的掩模数量可以增加RFIC芯片(多个RFIC芯片)的制造成本，该成本增加相对于增加掩模数量的成本大于线性增加。明显地，随着制造技术的改进或者随着新制造技术的发展，这种状况可以改变并且FBAR谐振器的全部集成可以变得更经济。
上面在几个优选实施例中已经提出了用于取代在RF收发器中的压控振荡器(VCO)和基准振荡器内使用的晶体的无晶体收发器和谐振器结构。可以对上面的实施例作多种变化和修改而不脱离本发明的精神和范围。例如，由于适于接纳以及与给定RFIC一起操作，谐振器结构的制造技术可能变化。因此，通过实例方式而不是限制方式公开了本发明。

Claims (11)

1.一种射频(RF)收发器，这种收发器具有至少一个射频集成芯片(RFIC)，一个基准振荡器和一个锁相振荡器，其特征在于：所述基准振荡器包含第一谐振器结构并且所述锁相振荡器包含第二谐振器结构。
2.根据权利要求1的RF收发器，其中，所述第一谐振器结构是第一薄膜腔声谐振器(FBAR)结构，并且所述第二谐振器结构是第二薄膜腔声谐振器(FBAR)结构。
3.根据权利要求2的RF收发器，其中，所述第一和第二FBAR结构与RFIC芯片一起单片集成。
4.根据权利要求2的RF收发器，其中，所述第一和第二FBAR结构倒装在RFIC芯片上。
5.根据权利要求1的RF收发器，其中，所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构是体声波谐振器(BAW)结构。
6.根据权利要求1的RF收发器，其特征还在于，所述第一和第二谐振器结构的品质因子(Q)具有在大约400到8000范围内的一个值。
7.权利要求3的RF收发器，其特征在于，所述RFIC芯片进一步包括锁相环(PLL)芯片。
8.权利要求1的RF收发器，其特征还在于，为定义高频(＞3GHZ)基准振荡器频率功能，所述第二谐振器结构包含基于低Q值的UHFVCO，并且所述第一谐振器结构是与第一射频集成芯片(RFIC)一起单片集成的第一薄膜声腔谐振器(FBAR)结构。
9.权利要求1的RF收发器，其特征还在于，为定义高频(＞3GHZ)基准振荡器频率功能，所述第二谐振器结构包含基于低Q值的UHFVCO，并且所述第一谐振器结构是与第一射频集成芯片(RFIC)一起倒装的第一薄膜声腔谐振器(FBAR)结构。
10.权利要求1的RF收发器，其特征还在于TDMARF收发器。
11.权利要求1的RF收发器，其特征还在于CDMARF收发器。
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