NB-IoT芯片RF_Analog前端架构与电路设计要点_EETOP_2017_NB-IoT产业峰会

1、演讲人：杨汝辉2017.09.20大唐半导体-射频芯片设计部目录目录 1. 系统规范系统规范 IC SPEC定义？定义？ 2. 实现Low Power？ 3. RF收发机（Transceiver）架构? 4. RX通道Block简介？ 5. TX通道Block简介？ 6. Summary1-1.NB-IoT1-1.NB-IoT设计目标设计目标SensitivitySensitivity(BW,NF,SNR)(BW,NF,SNR)1-2. NB-1-2. NB-IoTIoT指定频段指定频段NB-NB-IoTIoT沿用沿用LTELTE定义的频段号，定义的频段号，Release 13Release

2、13为为NB-NB-IoTIoT指定了指定了1414个频段。个频段。1-3. 1-3. 中国运营商频段中国运营商频段B B1/B2/B3/B5/B81/B2/B3/B5/B8，这这5 5个个BandBand同时覆盖了同时覆盖了中国中国，北美，北美，欧，欧洲，日韩以及俄罗斯。它们包含了高低频段，是用于洲，日韩以及俄罗斯。它们包含了高低频段，是用于 NB- NB-IoT IoT 方案设计的主要频段组合。方案设计的主要频段组合。 考虑到整个考虑到整个 NB-IoT NB-IoT 的应用频段，那么需要支持的频率覆的应用频段，那么需要支持的频率覆盖区间为盖区间为 699960MHz 699960MHz，

3、 17102200MHz 17102200MHz。 考虑到考虑到国内国内 NB-IoT NB-IoT 的应用频段，那么需要支持的频率覆盖区间为的应用频段，那么需要支持的频率覆盖区间为 824925MHz824925MHz， 17102170MHz 17102170MHz。 1-4. 1-4. NB-NB-IoTIoT终端芯片终端芯片系统系统DiagramDiagram CMOS工艺系统集成，以下除外： 天线、双工器、SAW、发射PA 片内：LNA、PA Driver 双频独立设计1-5. 1-5. NB-NB-IoTIoT终端芯片终端芯片RFRF主要主要SPECSPEC 针对国内运营商，工作频

4、段为 B1/B2/B3/B5/B8 Band 零中频接收机 NF 在 6dB 左右（片内+片外） SNR=0dB 时，天线口灵敏度-115dBm180KHz BW 最大接收功率大于-10dBm 零中频发射机 片内Power Driver发射功率0dBm，+片外PA 片外loss=23dBm （CMOS SOC集成23dBm的PA，很难实现） ACLR 在 45dBc目录目录 1. 系统规范 IC SPEC定义？ 2. 实现实现低功耗设计？低功耗设计？ 3. RF收发机（Transceiver）架构? 4. RX通道Block简介？ 5. TX通道Block简介？ 6. Summary2. 2.

5、 Low PowerLow Power DesignDesign1. 减少协议栈处理开销2. PSM（Power Saving Mode）3. eDRX（enhanced Discontinuous Reception）增强型非连续接收4. 单天线和FDD半双工模式5. RX/TX（架构、电路）电流优化6. BaseBand Idle 电流优化2-1. 2-1. Low PowerLow Power DesignDesign 减少协议栈处理开销2-2. 2-2. Low PowerLow Power DesignDesign PSM（Power Saving Mode） 物联网终端不同于手机，

6、绝大部分时间在睡觉，每天甚至每周就上报一两条消息，完事后就睡觉。所以它不必随时监听网络，PSM就是让物联网终端发完数据就进入休眠状态，类似于关机，不进行任何通信活动。2-3. 2-3. Low PowerLow Power DesignDesign eDRX（增强型非连续接收） 手机可以断断续续的接收信号以达到省电的目的。NB-IoT扩展了这个断续间隔，可扩展至2.91小时，更加省电。2-4. 2-4. Low PowerLow Power DesignDesign单天线和FDD半双工模式 Release 13 NB-IoT仅支持FDD 半双工模式，意味着不必同时处理发送和接收，比起全双工成本

7、更低廉，更省电。2-5. 2-5. Low PowerLow Power DesignDesign不同工作模式下的功耗比较 耗电：TX RX Idle(eDRX) Sleep(PSM)2-62-6. Low Power. Low Power DesignDesignPSM功耗最小化 (e.g. 4uA) 最少PSM Timer等电路work，其他电路power-off； Timer由Regulator驱动，可以DVDDL 20dB 全差分； 共源； 源级简并电感； 单端LNA示意电路 -(实现电路：Balun转差分+全差分LNA）4-2. RX4-2. RX：MixerMixer设计设计 Gi

8、lbert Mixer 优点结构简单；直接获得转换Gain 缺点Linearity差；1/f noise影响大4-2. RX4-2. RX：MixerMixer设计设计 Passive Mixer (Current mode) 推荐采用 优点：Linearity好（尤其对于Low VDD应用）；1/f noise影响小（多源于TIA）4-3. RX4-3. RX：IF-FilterIF-Filter设计设计 按照逼近方式对Filter原型进行分类 NB-IoT建议采用2阶Butterworth Low-Pass Filter 4-3. RX4-3. RX：IF-FilterIF-Filter设

9、计设计 相比于 Gm-C Filter，Active-RC Filter更适于高性能（Linearity, Noise）、低中速应用。 RX架构中的LPF+PGA Gain-Adjusted LPF Tow-Thomas Biquad电路：各参数设计自由度高 4-3. RX4-3. RX：DC-offset CancellationDC-offset Cancellation Analog CancellationAnalog Cancellation 实时反馈 高通截止频率h=gmRa/RC必须足够小，避免损失有用信号信息降低EBR。 不适合NB-IoT低速zero-IF（RC过大无法集成）

10、 4-3.RX4-3.RX：DC-offset CancellationDC-offset Cancellation Digital CancellationDigital Cancellation 先校准，保存SAR 数据，再接收信号 NB-IoT推荐使用4-4. RX4-4. RX：ADCADC结构选择结构选择 （Why SAR?Why SAR?）：）：10bits, 10bits, fsfs=30.72MHz=30.72MHz SAR特点：简单（低成本）； 几乎无Analog电路（低功耗） Before：用于低速（N个fs完成转换） Now:中高速，100MHz级别（1个fs完成转换)原

11、因：高速异步时钟采样 CMOS Cap工艺进步4-4. RX4-4. RX：ADCADCCMOSCMOS工艺中工艺中CapaCapa的实现的实现 MIM MOM Cmin：约100-1fF（保证相对精度）4-4. RX4-4. RX：ADCADC异步异步SARSAR量化原理量化原理 单调、单调反转拓扑 单调SAR架构和时序目录目录 1. 系统规范 IC SPEC定义？ 2. 实现Low Power ？ 3. RF收发机（Transceiver）架构? 4. RX通道Block简介？ 5. TX通道通道Block简介简介？ 6. Summary5 5-1. -1. T TX-AnalogX-An

12、alog Analog BasebandAnalog Baseband in TX in TX DAC Current-Steer; 10bits; fs=30.72MHz LPF 2-order passive-RC5 5-2. -2. T TX X：T TX-RFX-RFTX-RF: zero-IF up-conversion up-Mixer: Gilbert; PGA: Meet TX gain adjusting range ( 50dB ) PD: Class-AB PA Driver, 0dBm.Up-MixerUp-Mixer5 5-3. -3. T TX X：Spectrum Emission MaskSpectrum Emission Mask 发射信号频谱发射信号频谱 RAN4#78bis规范目录目录 1. 系统规范 IC SPEC定义？ 2. 实现低功耗设计？ 3. RF收发机（Transceiver）架构? 4. RX通道Block简介？ 5