CN104917541A - 移动设备中的从设备的连接性 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及移动设备中的从设备的连接性。根据本发明的实施例，一种用于移动设备的芯片集包括：从设备芯片；和包括用于通过模拟总线控制从设备芯片的从总线接口的接口电路芯片。从总线接口经由移动设备的数字总线被耦合到主总线接口。从总线接口被配置为由主总线接口驱动。

Description

移动设备中的从设备的连接性
技术领域
本发明总体上涉及半导体设备，并且在具体实施例中，涉及移动设备中的从设备的连接性。
背景技术
具有无线通信系统的电子设备，诸如蜂窝电话、GPS接收器以及支持WiFi的笔记本和平板计算机，通常包含具有到模拟世界的接口的信号处理系统。这样的接口可以包括有线和无线接收器，这些接收器接收传输的功率并且将接收到的功率转换为可以使用模拟或者数字处理技术进行解调的模拟或者数字信号。
除具有射频(RF)收发器之外，很多现代移动通信平台也使用另外的前端部件，诸如功率放大器、有源天线调谐器、低噪声放大器和天线开关。并且，在诸如多输入多输出(MIMO)系统之类的多个天线系统和多个协议系统中，RF系统可以具有众多的支持每个特定信号路径和/或协议的各种可选的和可配置的部件。这些多个射频部件中的很多部件是可由数字总线控制的，以便在各种操作模式中提供控制和配置。
一个这样的数字接口总线基于在“用于RF前端控制接口的联盟规范”版本1.10-2011年7月26日中所描述的由MIPI联盟开发的称作射频前端(RFFE)控制接口的标准化协议，其整体通过引用并入本文。MIPI RFFE控制接口总线包含其自身的电源电压，并且数据经由CLK线和DATA线被传输。耦合到MIPI RFFE总线的每个RFFE从设备是可经由从标识符、制造商标识符和产品标识符标识的。26MHz的相对高的时钟频率用于RFFE总线以便促进跨多个设备的定时关键(timing-critical)功能。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种用于移动设备的芯片集包括从设备芯片和接口电路芯片，所述接口电路芯片包括用于通过模拟总线控制从设备芯片的从总线接口。从总线接口经由移动设备的数字总线被耦合到主总线接口。从总线接口被配置为由主总线接口驱动。
根据本发明的一个实施例，一种用于移动设备的接口电路芯片包括用于控制从设备芯片的从总线接口和耦合到从总线接口的数字输入。数字输入被配置为经由移动设备的数字总线耦合到主总线接口。模拟输出耦合到从总线接口。模拟输出被配置为通过模拟总线耦合到从设备芯片。从总线接口被配置为将在数字输入处接收到的用于控制从设备芯片的数字控制信号转换为模拟输出处的模拟信号。
根据本发明的一个实施例，一种控制移动设备中的从设备芯片的方法包括接收接口电路芯片处的数字总线上的旨在用于从设备芯片的控制信号。接口电路芯片与从设备芯片不同。该方法进一步包括将控制信号转换为包括接口电路芯片处的控制信息的模拟信号。包括控制信息的模拟信号被传输到从设备芯片。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图作出的描述，在附图中：
图1图示了根据本发明的实施例的移动手机芯片集的示意框图；
图2图示了根据本发明的实施例的芯片集的通用示意图；
图3，其包括图3A和图3B，图示了根据本发明的实施例的耦合到接口芯片的LNA芯片的示意图；
图4图示了根据本发明的备选实施例的移动手机芯片集的示意框图；
图5图示了根据本发明的实施例的从设备；
图6，其包括图6A和图6B，图示了根据本发明的备选实施例的移动手机芯片集的示意框图。图6A图示了移动手机芯片集的实施例而图6B图示了芯片集；以及
图7，其包括图7A和图7B，图示了根据本发明的实施例的用于移动手机芯片集的LNA芯片集的结构实施例。
具体实施方式
将在特定背景下(即用于在射频前端(RFFE)控制接口中使用的从总线接口电路)关于示例性实施例描述本发明。本发明的实施例也可以应用于针对其他应用的总线接口电路。
图1图示了根据本发明的实施例的手机的RF系统的框图。图1是用于说明目的的通过单个天线耦合的发射器/接收器的示意图。各个实施方式可以包括附加的复杂性，例如，增加的多样性、多输入多输出路径等。
针对移动手机日益增加的数据速率的需求增加了操作在单个移动手机内的波段的数目。载波聚合帮助结合不同的波段以容纳高数据速率。然而，日益增加的波段数目增加了RF前端模块的技术复杂性。例如，前端包括天线100、天线开关芯片30、诸如滤波器组20之类的滤波器以及低噪声放大器芯片10。
RF信号在天线100处被接收并且由开关或者双工器路由到期望的接收路径。在一个实施例中，天线开关芯片30可以在多个接收输入路径RX1、RX2…RXn与多个发射输出路径TX1、TX2…TXn之间进行选择。
来自天线100的信号通过波段滤波器组20而被滤波，波段滤波器组20例如包括一个或多个带通滤波器或者多个带通滤波器。例如，每个波段可以通过分立的滤波器而被滤波。滤波器相对于低噪声放大器(LNA)芯片10的位置可以是设计选择并且可以被改变。另外，一个以上的滤波器可以被添加到每个接收路径或者发射路径。
接收输入路径中的每个接收输入路径通过LNA芯片10而被耦合以便放大进入的信号。LNA芯片10可以包括一个或者多个低噪声放大器。LNA芯片10可以包括多个低噪声放大器。例如，每个波段可以具有分立的低噪声放大器。LNA芯片10放大可以由天线接收的非常小的信号、对这些小信号提供增益并且将放大的信号传递到后面的放大和/或信号处理阶段。通过在LNA处提供增益，使得后续的增益处理阶段对噪声不敏感，由此能够得到更低的系统噪声系数。
例如，接收输入路径RX1可以通过LNA芯片10中的低噪声放大器(LNA)和RX滤波器组20中的带通滤波器而被耦合。LNA芯片10中的低噪声放大器中的每个低噪声放大器必须例如用不同的增益、电流水平和激活而被不同地控制。这使诸如LNA芯片10之类的LNA产品上的接口电路的实施方式复杂化。另外，与MIPI接口兼容的接口电路增加了进一步的约束和复杂性。
来自LNA芯片10的输出在射频集成电路(RFIC)40处被接收。同样地，发射路径通过RFIC 40前进到功率放大器，功率放大器放大将被发射的信号。例如，发射输出路径TX1被耦合到PA芯片70中的功率放大器和TX滤波器组80中的带通滤波器。在一个或者多个实施例中，PA芯片70可以包括一个或多个功率放大器或者多个功率放大器。RFIC 40可以包括收发器芯片或芯片组以将RF信号上变频或下变频到基带。RFIC 40可以实现诸如全球移动通信系统(GSM)、通用移动通信系统(UMTS)、长期演进(LTE)、码分多址2000(CDMA2000)和全球微波接入互操作性(WiMAX)之类的很多标准射频协议中的任何一个。RFIC 40也可以被包括有移动处理器。
如图1所示，RFIC 40可以包括用以驱动总线60上的从设备的主总线接口。在各个实施例中，总线60可以是RFFE总线并且可以是不以与受控制的前端设备相关联的信号路径为目标的纯控制接口。总线60上的设备中的每个设备可以是包括用以接收总线60上的信号的从接口总线的从单元。在一个或者多个实施例中，主总线接口实现MIPI RF前端(RFFE)控制接口协议。MIPI协议使用两个信号线，由主接口总线控制的时钟信号(SCLK)、单向/双向数据信号(SDATA)，以及I/O电源/参考电压(VIO)。
在各个实施例中，由于它们更好的性能而使用SiGe或者GaAs技术形成LNA芯片10。然而，SiGe或者GaAs技术上的逻辑电路是昂贵的并且占据相当大的面积(相对于可比的硅技术或者体硅CMOS技术)。另一个缺点是SiGe技术中的这种逻辑块的高功率消耗。与此相反，基于硅的技术不具有利用SiGe或者GaAs技术可获得的低噪声特性。热噪声(也称为约翰逊噪声或者白噪声)和散列噪声(也称为肖特基噪声)是低噪声放大器设计中的主要噪声类型之一。使用SiGe异质结双极型晶体管帮助降低这些噪声源。因此，SiGe双极型晶体管与硅技术相比呈现高增益和低噪声。
如上所述，由诸如来自RFIC 40上的主总线接口的数字总线接口控制的系统需要在诸如LNA芯片10之类的从设备中的每个从设备上添加从总线接口。然而，由于在基于SiGe或者GaAs的技术上添加逻辑电路的困难，在LNA芯片10上添加RFFE从总线接口增加LNA的成本。同样地，使用硅技术构建LNA芯片10降低LNA的性能。
本发明的实施例通过在使用硅技术构建的设备之一上放置从总线接口而克服这些问题。因此，在诸如开关芯片30之类的这样的设备上添加从总线接口的成本是最低的。进一步地，开关芯片30可以通过使用模拟总线的模块或者板而被耦合到LNA芯片10。因此，可以使用最少的或者不使用逻辑电路系统构建LNA芯片10，从而降低系统的成本。
MIPI RFFE规格定义了支持RFFE的设备之间的接口，其中在单个RFFE总线上具有一个主设备和多达15个从设备。因此，如图1所示，RFIC 40上的主总线接口通过总线60控制总线60上的支持RFFE的设备，诸如RX滤波器组20、PA芯片70、TX滤波器组80和开关芯片30，其中总线60如先前所描述可以是具有DATA线和CLK线的MIPI兼容总线。
然而，在各个实施例中，LNA芯片10由来自开关芯片30的模拟总线110控制。开关芯片30接收用于LNA的控制命令并且将它们转换为模拟信号，该模拟信号然后通过模拟总线110传输。另外，诸如通用输入/输出(GPIO)总线之类的简单数字总线120可以被耦合在LNA芯片10与开关芯片30之间。
图2图示了根据本发明的实施例的芯片集的通用示意图。
图2中图示的芯片集包括通过模拟总线耦合在一起的LNA芯片10和接口芯片130。接口芯片130包括用于从主总线接口接收控制信号的诸如RFFE从总线接口之类的从总线接口。接口芯片130在从总线接口处接收用于LNA芯片10的控制信息并且将它们转换为模拟和/或数字信号，所述信号然后可以通过模拟总线110和数字总线120传送到LNA芯片10。
在常规方法中，从总线接口必须被实现在LNA芯片10中。然而，在SiGe和GaAs技术中实现MIPI接口是困难和昂贵的，其中几乎所有都与硅技术不同。例如，显著的芯片面积是解码控制信息必需的。另一缺点是在SiGe技术中这样的逻辑块的高功率消耗。这个困难导致通过努力可以调整的限制，例如，电流消耗和面积消耗。相比之下，使用本发明的实施例，该功能被分离到两个芯片中，从而显著地降低成本。
图3，其包括图3A和图3B，图示了根据本发明的实施例的耦合到接口芯片的LNA芯片的示意图。
参考图3A，LNA芯片10包括一个或者多个低噪声放大器1-n。例如，每个接收路径由一个或者多个低噪声放大器1-n中的特定LNA放大。
在各个实施例中，接口芯片130可以是系统中的任何电路。例如，在一些实施例中，接口芯片130可以被定位在LNA芯片10的输出路径上。在备选实施例中，接口芯片130可以被定位在LNA芯片10的输入路径中。例如，在图1中，接口芯片130集成有在LNA芯片10的输入路径中的开关。接口芯片130接收总线60上的控制信号。如上所述，在各个实施例中总线60可以与MIPI协议兼容。
LNA芯片10也可以包括用于从接口电路130接收模拟和数字信号的数字和模拟输入电路45。例如，数字和模拟输入电路45可以接收模拟总线110上的电流或电压电平并且将它传送到对应的LNA。同样地，数字和模拟输入电路45可以接收数字总线120上的数字信号。例如，接口电路130可以生成数字总线120的特定线上的指示LNA芯片10中的特定LNA的激活的数字信号。
图3B图示了根据本发明的实施例的耦合到LNA芯片的接口芯片130的示意图。
参考图3B，接口芯片130包括与RFIC 40上的主总线接口通信的从总线接口125。在各个实施例中，从总线接口125包括足够的数字逻辑以接收在总线60处接收到的控制信息并且对其进行解码。
从总线接口125包括用以接收控制信号的MIPI RFFE 150、用以对信号进行解码的解码器160以及用以将经解码的信号转换为模拟信号的数字模拟转换器(DAC)190。用于LNA芯片10的从总线接口125由从标识符(USID)、制造商ID以及产品ID标识。例如，制造商ID由MIPI联盟定义，而产品ID由制造商定义。来自DAC 190的输出是电压或者电流，其通过模拟总线110被传输到LNA芯片10。RFIC 40处的主接口总线可以被编程以通过接口芯片130上的从标识符(USID)标识并且关联LNA芯片10。
RFFE使用两个信号线，由主总线接口控制的时钟信号(SCLK)、单向/双向数据信号(SDATA)，以及I/O电源/参考电压(VIO)。每个物理从总线接口125包括一个SCLK输入引脚、一个SDATA输入或者双向引脚以及VIO引脚以确保设备之间的信号兼容性。
RFFE定义了各种命令序列以实现对总线上的从设备的读取和写入访问，其中主要区别是可用的可寻址空间的量以及可以在单个命令序列内传送的有效负荷数据的大小。
因此，复杂的控制信息，例如，与MIPI RFFE控制接口兼容的控制信息，可以使用总线60处的三个控制线在MIPI RFFE 150处被接收。该控制信息可以是例如设置LNA芯片10中的目前正在操作中的相应LNA的电流消耗的3位字。3位字然后被转换为模拟电流(例如，在0-50μA之间)，然后该模拟电流在单个控制线而不是三个控制线上被发送到LNA芯片10。来自接口芯片130的更简单的输出可以在LNA芯片10处被接收。模拟电流然后在LNA芯片内部被镜像以得到用于每个LNA的相应的电流消耗。
在另一个示例中，复杂的控制信息可以是例如设置目前正在操作中的相应LNA的增益水平的3位字。3位字可以被转换为模拟电压(例如，在0-800mV之间)，模拟电压然后在单个控制线而不是三个控制线上被传输到LNA芯片10。来自接口芯片130的更简单的输出可以在LNA芯片10处被接收。模拟电压然后用于生成LNA芯片10内的相应的偏置以得到用于每个LNA的相应的增益。
在又一个示例中，关于特定LNA的激活或者去激活的控制信息可以在MIPI RFFE 150处通过总线60而被接收。从总线接口125将该信息转换为可以在简单数字总线上传输到LNA芯片10的GPIO引脚的单个数字信号。
如果接口芯片130被集成到开关电路上，则接口芯片130还可以包括LNA芯片10的信号线通过的选择器开关140。
图4图示了根据本发明的备选实施例的移动手机芯片集的示意框图。
作为图示，在该实施例中，一个以上的从总线接口可以被集成到开关芯片30中。在各个实施例中，多个从设备可以具有被设计到开关芯片30或者通过体数字技术形成的其他芯片中的它们的从总线接口。例如，开关芯片30包括如前文所描述的耦合到LNA芯片10的从总线接口125。然而，开关芯片30进一步包括用于诸如RX滤波器组20、PA芯片70以及TX滤波器组80之类的其他部件的附加的从总线接口电路1251、1252、1253。如前文所描述，模拟总线110用于将控制信息从对应的从总线接口传送到相应的从设备。
如在前一个实施例中那样，RFIC 40处的主总线接口提供控制信息，以通过附加的从总线接口电路1251、1252、1253控制诸如RX滤波器组20、PA芯片70和TX滤波器组80之类的对应的从设备。RFIC40处的主接口总线可以被编程以通过接口芯片130上的用于附加的从总线接口电路1251、1252、1253中的每个从总线接口电路的从标识符(USID)标识和关联RX滤波器组20、PA芯片70和TX滤波器组80。
图5图示了根据本发明的实施例的从设备。
在一些实施例中，从设备可以被形成为包括分立芯片的LNA模块210。一个或者多个LNA中的每个LNA可以作为LNA裸片230被形成在分立的衬底上，LNA裸片230可以被封装为单个单元。例如，单个LNA裸片230可以通过LNA板220互连。备选地，LNA裸片230可以通过诸如通孔、键合接线、夹、焊料球、再分布线等的封装级互连而被堆叠和互连。在一些实施例中，分立的裸片可以用作数字和模拟输入45，其也可以被封装在LNA板220上。
图6，其包括图6A和图6B，图示了根据本发明的备选实施例的移动手机芯片集的示意框图。图6A图示了移动手机芯片集的实施例而图6B图示了芯片集。
在该实施例中，LNA模块210或者芯片集可以被形成为包括：例如如图3A所描述的LNA芯片10，以及包括例如如图3B所描述的从总线接口的接口电路130。在该实施例中，LNA芯片10与接口电路130之间的模拟总线被形成在LNA模块210内。
图7，其包括图7A和图7B，图示了根据本发明的实施例的用于移动手机芯片集的LNA芯片集的结构实施例。
参考图7A，芯片集包括通过板500耦合在一起的LNA芯片10和接口芯片130，接口芯片130包括例如可以被集成到开关芯片30中的从总线接口。如前文所描述，接口芯片130可以被并入作为另一芯片(例如，开关芯片)的一部分。在各个实施例中，板500可以包括用于例如通过可以被形成在板500内的模拟总线110和简单数字总线120来连接LNA芯片10与接口芯片130的互连。
如图7A所示，LNA芯片10包括第一半导体衬底520，第一半导体衬底520包括LNA设备510。在各个实施例中，使用SiGe或者GaAs技术形成LNA设备510。在一个或者多个实施例中，LNA设备510包括一个或者多个异质结双极型晶体管，或者多个异质结双极型晶体管。例如，在SiGe技术中，LNA设备510可以包括一个或者多个SiGe异质结双极型晶体管，或者多个异质结双极型晶体管。第一半导体衬底520可以使用第一包封体530而被包封。
与之相对，接口芯片130包括第二半导体衬底560，第二半导体衬底560包括使用利用硅技术的场效应晶体管形成的设备区域550。在一个实施例中，第二半导体衬底560是体硅衬底，并且设备区域550包括CMOS晶体管。第二半导体衬底560可以使用第二包封体570而被包封。
图7B图示了在包括LNA芯片和接口芯片的封装中的封装的备选实施例。
在另一个实施例中，LNA芯片10和接口芯片130可以被一起封装在诸如引线框架封装或者其他无引线封装之类的单个封装内。如前文所描述，接口芯片130可以作为另一芯片(例如，开关芯片)的一部分被并入。作为图示，LNA芯片10可以被安装在裸片焊盘(diepaddle)505之上，并且接口芯片130可以被安装在LNA芯片10之上(或者反之亦然)。图7B示出了作为仅用于说明的封装的LNA芯片10和接口芯片130。在各个实施例中，LNA芯片10和接口芯片130可以是封装或者可以是未封装的半导体裸片。可以是接线键合、夹、再分布线的互连580，可以用于将LNA芯片10与接口芯片130以及也与多个引线506中的一个或者多个引线互连。LNA芯片10和接口芯片130也可以使用连接540被直接地耦合到彼此，连接540可以是焊料球、中介层(interposer)、通孔等。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制的意义被解释。说明性实施例的各种修改和组合，以及本发明的其他实施例，在参考描述之后对于本领域技术人员将显而易见。因此，意图是所附权利要求包含任何这样的修改或者实施例。

Claims (25)

1.一种用于移动设备的芯片集，包括：
从设备芯片；以及
接口电路芯片，包括用于通过模拟总线控制所述从设备芯片的从总线接口，所述从总线接口经由所述移动设备的数字总线被耦合到主总线接口，所述从总线接口被配置为由所述主总线接口驱动。
2.根据权利要求1所述的芯片集，其中所述从设备芯片是具有模拟电路系统的模拟芯片。
3.根据权利要求2所述的芯片集，其中所述模拟电路系统包括一个或者多个异质结双极型晶体管。
4.根据权利要求1所述的芯片集，其中所述接口电路芯片包括一个或者多个硅场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的芯片集，其中所述从设备芯片是低噪声放大器芯片、功率放大器芯片、滤波器芯片、天线调谐器芯片、传感器芯片或者DC/DC转换器芯片。
6.根据权利要求1所述的芯片集，其中所述从设备芯片包括一个或者多个低噪声放大器。
7.根据权利要求1所述的芯片集，其中所述从总线接口被配置为使用MIPI RF前端(RFFE)控制接口协议与所述主总线接口通信。
8.根据权利要求1所述的芯片集，其中所述从设备芯片被形成在第一衬底上，其中所述接口电路芯片被形成在第二衬底上，其中所述第一衬底包括具有包括SiGe或者GaAs的区域的晶体管，并且其中所述第二衬底是包括互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑门的硅衬底。
9.根据权利要求1所述的芯片集，其中所述从设备芯片包括形成在第一衬底上的一个或者多个低噪声放大器，并且其中所述接口电路芯片被配置以在与所述第一衬底不同的第二衬底上实现用于所述从设备芯片的MIPI RF前端(RFFE)控制接口。
10.根据权利要求9所述的芯片集，其中所述接口电路芯片通过所述模拟总线被耦合到所述一个或者多个低噪声放大器中的每个低噪声放大器。
11.根据权利要求9所述的芯片集，其中所述从设备芯片通过GPIO接口总线被进一步耦合到所述接口电路芯片。
12.一种用于移动设备的接口电路芯片，包括：
从总线接口，用于控制从设备芯片；
数字输入，被耦合到所述从总线接口，所述数字输入被配置为经由所述移动设备的数字总线耦合到主总线接口；以及
模拟输出，被耦合到所述从总线接口，所述模拟输出被配置为通过模拟总线耦合到所述从设备芯片，其中所述从总线接口被配置为将在所述数字输入处接收到的用于控制所述从设备芯片的数字控制信号转换为在所述模拟输出处的模拟信号。
13.根据权利要求12所述的接口电路芯片，其中所述从总线接口是MIPI RF前端(RFFE)控制接口。
14.根据权利要求12所述的接口电路芯片，其中所述从设备芯片包括一个或者多个低噪声放大器LNA，并且其中所述数字控制信号包括所述一个或者多个低噪声放大器中的一个LNA的增益或者电流消耗。
15.根据权利要求12所述的接口电路芯片，其中所述接口电路芯片包括一个或者多个硅场效应晶体管，其中所述从设备芯片包括一个或者多个异质结双极型晶体管。
16.根据权利要求12所述的接口电路芯片，其中所述数字控制信号是与MIPI RF前端(RFFE)控制接口协议相兼容的3位字。
17.根据权利要求12所述的接口电路芯片，其中所述从设备芯片是低噪声放大器芯片、功率放大器芯片、滤波器芯片、天线调谐器芯片、传感器芯片或者DC/DC转换器芯片。
18.根据权利要求12所述的接口电路芯片，其中所述接口电路芯片包括被配置为在所述从设备芯片的信号路径中的开关。
19.一种控制移动设备中的从设备芯片的方法，所述方法包括：
在接口电路芯片处接收数字总线上的旨在用于所述从设备芯片的控制信号，所述接口电路芯片与所述从设备芯片不同；
在所述接口电路芯片处将所述控制信号转换为包括控制信息的模拟信号；以及
将包括所述控制信息的所述模拟信号传输到所述从设备芯片。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述从设备芯片是包括模拟电路系统的放大器芯片。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述从设备芯片包括一个或者多个低噪声放大器LNA，并且其中所述控制信息包括所述一个或者多个低噪声放大器中的一个LNA的增益或者电流消耗。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述接口电路包括硅场效应晶体管，其中所述从设备芯片包括异质结双极型晶体管。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述控制信号是与MIPIRF前端(RFFE)控制接口协议相兼容的3位字。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述从设备芯片是功率放大器芯片、低噪声放大器芯片、滤波器芯片、天线调谐器芯片、传感器芯片或者DC/DC转换器芯片。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述接口电路芯片包括在所述从设备芯片的信号路径中的开关。
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