Länge var galliumarsenid en stark kandidat till platsen närmast antennen i mobiltelefonerna. Men de olika kiselprocesserna blir hela tiden vassare och besitter dessutom ett starkt trumfkort: de är billiga att tillverka.

Riktigt allt klarar dock inte kislet. Effektförstärkaren, mottagarfiltret och omkopplaren mellan mottagaren och sändaren är fortfarande diskreta komponenter. Och så blir det kanske även i framtiden.

CMOS är en billig process som i olika varianter används för majoriteten av alla digitala kretsar. Nu är CMOS också på väg in i mobiltelefonernas radiodel, åtminstone om man ska tro Motorola som i början av februari lanserade en variant kallad GCMOS, och som enligt företaget ska fungera på 900-MHz bandet.

De riktiga optimisterna tror att CMOS kan trimmas ytterligare så det blir användbart upp till 10-20 GHz för smalbandiga analoga signaler.

Generellt drar CMOS mer effekt än bipolär teknik när hastigheten ökar. Samtidigt går det att göra komplementära transistorer vilket ger bättre signalsving.

Bipolärt drar mer ström vid låga frekvenser men vinner när frekvensen ökar och har dessutom lägre brusfaktor. BiCMOS kombinerar fördelarna från båda teknikerna men krånglar till processtekniken. Antalet processteg är cirka 25 procent fler än för en ren CMOS-process.

- Valet handlar inte enbart vad processen klarar. Viktigare är systemkraven, bland annat låg strömförbrukning. Det kräver att delar som inte används kan stängas av, förklarar Mats Lindoff, som är chef för Ericssons produktutveckling av GSM-telefoner i Lund.

- Vår radiokrets är i BiCMOS med en integrerad förförstärkare, men effektförstärkaren är gjord i galliumarsenid.



Olika krav i telefonsystemen


Systemspecifikationen skiljer en del mellan de olika mobiltelefonsystemen. Uteffekten i en GSM-telefon är maximalt 2 W, i PCS/DCS1800 1 W och i Dect 0,5 W. Alla system är dessutom tidsmultiplexerade, i GSM med åtta tidsluckor och i Dect med 12 tidsluckor.

Frekvensnoggrannheten är också högre i GSM och PCS/DCS, bättre än 1 ppm, medan kravet i Dect inte är mer än 25 ppm. En GSM-telefon klarar därtill lägre signalnivåer, i bästa fall ner till -105 till -110 dBm, drygt 10 dB lägre än Dect.

Sammantaget gör det här att det är lättare att ta fram en enkretsradio för Dect än för GSM. Ett exempel på det är LMX3161 från National Semiconductor. För GSM är integrationen inte lika lätt.

- Idag har vi en trekretslösning för GSM med en radiokrets plus en analog och en digital basbandskrets. Nästa steg blir att slå ihop radiokretsen med den analoga basbandskretsen. Sen får vi se om det blir ännu billigare att göra allt på en krets, säger Mats Lindoff.

- Förförstärkaren är integrerad i radiokretsen men effektsteget är en diskret galliumarsenidkrets.

- Vi tittar på CMOS men kraven är för hårda för att dagens processer ska kunna användas.

Ökad integration leder också till större brusproblem. Den känsliga mottagarförstärkaren måste exempelvis vara isolerad från effektförstärkaren och de brusiga basbandskretsarna.

Per Henricsson



Processteknikens framkant


Analog Devices bipolära, National Semiconductors och Hitachis BiCMOS och Motorolas CMOS är några högfrekvensprocesser i teknikens framkant.

Ett exempel på vad en bipolär process klarar av är Analog Devices RF25. Den processen är användbar mellan 500 MHz och 2,5 GHz. Gränsfrekvensen, Ft, är 25 GHz och max uteffekt ligger runt 10 mW.

Analog Devices gör mottagarkretsar med integrerade lågbrusförstärkare i mottagarkedjan. Brusfaktorn blir 1,5 till 2 dB, vilket inte är sämre än galliumarsenid.

På BiCMOS-sidan har National Semiconductor lanserat en Dect-krets som innehåller allt utom effektförstärkaren. Den motsvarar en äldre lösning med tre kretsar plus en krets för faslåsning. Kretsen, LMX3161, är tillverkad i företagets ABiC process som har en emitterlängd på 0,5 μm. Gränsfrekvensen, Ft, är 18 GHz. Kretsen innehåller bland annat förstärkare, blandare, PLL-block. Nedblandningen sker i ett steg till 110,592 MHz. För effektförstärkningen rekommenderas en extern komponent i GaAs Känsligheten är -93 dBm vilket kan förbättras med en extern lågbrusförstärkare.

Ett annat exempel är den nya GSM-kretsen HD155101F från Hitachi som lanserats i dagarna. Den är tillverkad i en 0,6 μm BiCMOS-process och innehåller en komplett radiodel så när som på effektförstärkaren, lågbrusförstärkaren och PLL-kretsen.



Få externa komponenter


Hitachi har eliminerat behovet av det ytakustiska filtret, SAW-filtret, och av duplexfiltret genom att använda en faslåsningsteknik, kallad offset PLL. Denna teknik minskar brusnivån och därmed behovet av externa filer. Förutom att minska antalet komponenter slipper man effektförlusterna.

Kretsen drivs med 2,7 till 3,6 V och konsumerar 34 mA vid mottagning, 31 mA vid sändning och 1 μA i viloläge.

I februari lanserade Motorola en process kallad graded-channel CMOS. Där kan de flesta blocken på en radiokrets integreras på samma chips. Processen är billig och klarar en spänning på 2,7 V. Den kan användas till effektförstärkare med måttlig effekt, lågbrusförstärkare och spänningsstyrda oscillatorer som integreras med basbandsblock och styrkretsar.

Det går också att göra kondensatorer med 1 fF/mm2, resistanser upp till 1,5 k? per ytenhet liksom induktanser på 2 -15 nH. Ytterligare en finess är att det går att göra laterala transistorer, LDMOS, som direkt kan driva signalen till antennen. Användningen är dock begränsad upp till 900-MHz-bandet.