摘 要：本文对近几年兴起的2.5G和3G移动电话元器件的新进展作了介绍。除了介绍移动电话基本电路的元器件外，还概述了为实现新功能而发展的新型器件。 关键词：移动电话；元器件；芯片；滤波器；显示屏；摄像模块；蓝牙

1. 3G移动电话对元器件的要求 　　电子元器件是发展移动通信的基础，第2.5代（2.5G）和第三代（3G）移动通信的发展，对移动电话电子元器件提出了新的要求，不仅要发展构成基本电路的元器件，而且还需要为实现移动电话的新功能而开发与应用新型器件。近几年来，移动通信的发展促进了移动电话的各种元器件快速发展。 　　(1)专用元器件要符合特定的要求 嵌入式开发网 　　各种类型的3G移动电话的体制和技术指标，都从属于各自的系统体制标准。同样，移动电话的元器件也必须符合相应的移动电话的要求。因此，核心芯片都设计成专用芯片（ASIC）。除通用元器件之外，其他元器件的技术指标也都要满足相应移动电话的各种特定的要求。 　　(2) 要求元器件高频化，信号处理器件高速化 　　3G移动电话工作在2000MHz频段，具有高速数据、活动图像及因特网接入功能，已不仅用于传输话音。要求高频元器件向更高频段发展，核心芯片中的数字信号处理器(DSP)须具有更高速的运算能力，才能处理实时多媒体信息。 　　（3）实现新功能需要新型器件 　　为实现3G移动电话的新功能，除了须开发移动电话基本结构所需的元器件外，还需要开发与应用新型器件，如彩色显示屏、CMOS摄像模块、蓝牙模块和GPS接收器模块等。 　　（4）小型化、片式化，性能稳定可靠 　　用惯了小巧玲珑手机的用户，不会愿意再用回“大哥大”。因此，3G移动电话要求元器件小型化、片式化、单片化、模块化，性能稳定可靠。 　　（5）低功耗 　　随着3G移动电话功能的增加，需增加许多器件。如不控制功耗，移动电话将失去移动性的特点。降低3G移动电话器件的功耗具有特别意义。 电子技术论文网 　　（6）价格相宜 　　移动电话市场竞争激烈，元器件的价格是移动电话生产厂商和元器件供应商都必须要考虑的问题。价格昂贵的移动电话是难以大量推广的。 RFID技术网 2. 移动电话元器件的新进展 　　移动电话从整体上可分为硬件和软件两大部分。硬件包括为实现移动电话各项功能和技术指标而设计的电路结构和人机界面，3G移动电话为实现新功能，还需嵌入多种模块；软件则用于控制电路的工作并执行系统的协议。 　　2.1 移动电话专用芯片 　　移动电话的芯片主要有射频（RF）芯片和基带芯片，3G移动电话还需要蓝牙、GPS接收器、摄像和图像处理等专用芯片。 　　（1）射频芯片 　　移动电话的射频电路负责无线信号的接收与发送，包括双工器（或天线开关）、低噪声放大器（LNA）、接收器、发送器、功放和PLL频率合成器等。早期的GSM RF电路使用4片IC（不含天线开关和功放）来实现，后减为3片。随着MMIC工艺技术的进步和射频技术的发展，到1999年开始实现了 GSM 900/1800/1900三频手机的RF芯片单片化。RF采用单芯片后，比原来采用3片芯片时的元器件数量减少了55%，所占用的电路板面积减少了69%。 　　射频IC通常使用砷化镓和硅材料制造，近几年发展了SiGe材料。由于SiGe器件能在较低功耗下具有高性能，且价格低，最适宜用来制造低噪声放大器和功率放大器，目前已在射频芯片中得到了广泛应用。 电子电路图 　　用于2.5G GPRS的RF电路，国外近几年已有多家公司推出了单芯片产品，大都采用了SiGe材料和BiCMOS技术，电路设计普遍选用了零中频方案，使整机的集成度进一步提高，与以往的超外差方案相比，外部元件数量、电路板尺寸、重量和成本都大幅度降低。与此同时，适用于3G移动电话开发的RF芯片也已陆续推向市场。 　　（2）基带芯片 　　在移动电话中基带ASIC的核心是数字信号处理器（DSP）和微控制器(MCU)，在以传输话音为主的GSM手机中，基带使用了一个DSP和一个MCU。DSP用来实现编解码、调制解调、加密解密、话音数据的压缩解压缩和通信协议栈中物理层协议的功能；而MCU则用来支持用户操作界面，并实现通信协议栈中的上层协议的各项功能。基带芯片组通常由两片芯片组成，一片是含有DSP和MCU的数字基带芯片，另一片是模拟基带芯片。3G移动电话对DSP和MCU的处理速度和功能有更高的要求。 　　在新一代移动电话中，为了同时支持实时通信和多媒体应用，可从物理结构上将通信和应用这两种功能分开，交由两个或多个DSP来完成，或采用一个DSP加上协处理器的结构。同时，为适应3G应用的不确定性，DSP将朝着通用处理器的方向发展，具有超高速指令缓冲存贮和内存管理等功能，并配备实时操作系统，以实现动态任务管理。由于通信速率和应用复杂度的提高，DSP的运算速度要从2G或2.5G手机所用的50～100MIPS，提高到500MIPS以上。同样，MCU也需要进行类似的改变，以增强其控制功能。 PCB设计网 　　基带芯片发展的另一个方向是集成技术的不断提高，1999年从0.25μm工艺转到0.18μm，目前已使用0.13μm工艺，并正在开发0.1μm以下的技术 。 　　（3）其他芯片 　　为适应3G移动电话的需要，Intel开发的高效能快闪存储器的存储量可达64Mb，速度比现有闪存快4倍，正在开发存储量为128Mb的产品。功放模块在工艺上一方面提高芯片的电性能和集成度，另一方面采用多层陶瓷基板，以减小模块体积。MAXIM开发的一种移动电话用降压型调节器MAX1820芯片，在手机工作时，可动态调节功放的供电电压，以延长电池使用时间。 　　在3G移动电话中嵌入的蓝牙、GPS接收器和CMOS摄像模块，其核心芯片都是LSI或VLSI。尽管这些技术并非为移动电话专用，但为了能用于移动电话，必须满足体积小、重量轻和低功耗的要求。经过近几年的开发，也都开始进入了实用阶段。 　　(4) 2.5G和3G移动电话解决方案 　　现推向市场的2.5G GPRS或3G移动电话的全面解决方案，有TI的开放式多媒体应用平台（OMAP）、Motorola的i.250和i.300集中式创新平台及Siemens、Philips和科胜讯等公司的多种方案。 　　TI的OMAP的一个三芯片解决方案包括：TBB2100双内核数字基带处理器，具有完整电源管理功能的TWL3014模拟基带处理器及零中频TRF6150 RF收发器。 RFID技术网 　　Motorola的i.250 GSM/GPRS平台，包括了全套RF和基带芯片组，由于集成度高，整机的元器件仅为125个。i.300用于3G移动电话开发，具有GSM/UMTS成套RF和基带芯片组，并支持蓝牙、GPS接收、摄像和图像处理功能。 　　移动电话芯片的最新发展动态是TI和Intel计划在基带芯片上集成快闪存储器和RF电路，两年后可望推向市场，用于2G、2.5G和3G手机。这种单片ASIC对手机制造厂商将具有极大的吸引力。 　　2.2 温补晶振 （TCXO） 　　温度补偿晶体振荡器为PLL频率合成器提供参考频率源，是手机电路中的关键器件之一。其输出频率、相位噪声、频率稳定度等技术指标须符合手机的设计要求。近几年发展的显著特点是外形尺寸从9.0×4.5×2mm3减小至4.0×2.5×1.2mm3，且功耗降低，典型产品的技术指标为：输出频率为13.0MHz或12.6 MHz 、12.8 MHz 、14.4 MHz等多种，频率稳定度±2.5×10-6（-30～+75℃），相位噪声-137dBc/Hz(1kHz偏移处)，电流消耗(+3V电源)1.0 mA。 　　2.3 压控振荡器（VCO） 　　VCO是PLL频率合成器的重要部件。在移动电话工作时，频率合成器根据MCU的预置，产生整机工作所需要的高质量的振荡频率。近几年VCO向着高频化、低功耗、小型化和高密度化的方向发展。 电子技术书籍网 　　早期GSM 900单频手机用的VCO，典型尺寸为 12×10×4mm3，现可减小至5.0×4.0×1.6mm3，GSM 900/1800 双频手机用的双VCO，可制作在一个9.6×7.0×1.6mm3的封装里。一种用于3G移动电话的VCO，输出频率范围为2300～2360MHz，其封装尺寸为5.0×4.0×1.6mm3，使用＋3V电源。据报道，具有更高输出频率范围的VCO也已研制成功。 VCO的输出频率范围依据整机的设计要求而定，调谐灵敏度要满足PLL的环路参数设计要求。另一个重要技术指标C/N通常可优于100dBc/Hz (10kHz偏移处)。 　　2.4 双工器 　　移动电话是一个双工电台，为了能在共用一根天线时使收发能同时工作，在天线端必须使用双工器或天线开关，为收发信号提供互相隔离的通道。同时，使发射器产生的落在接收频段的噪声得到足够的抑制，以不致影响接收器的接收灵敏度，而从天线接收的信号可通过接收通道进入接收器的低噪声放大器。 　　双工器实为两个带通滤波器，常用的有陶瓷介质双工器和SAW双工器等类型，可根据各类移动电话的收发频率范围设计滤波器的中心频率、带宽、隔离度和驻波比等参数，现投放市场用于GSM、CDMA和3G手机的产品规格繁多，近几年较大的进展是工作频率进入了2000MHz频段，体积重量大大减小。一种新开发的WCDMA手机介质双工器，外形尺寸从以往的20×14×4mm3减小为10×5×2mm3，其主要电性能为：插损（Tx）1.5dBmax, （Rx）2.0dBmax;衰减(Tx) 45dBmin,（Rx）50dBmin 。另一种WCDMA手机SAW双工器，外形尺寸仅为3.8×3.8×1.5mm3，其主要电性能为：插损 (Tx) 2.0dBmax, (Rx) 3.5 dBmax;衰减(Tx) 40dBmin,（Rx） 45dBmin 。近几年开发的FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator 薄膜腔声谐振器）双工器，是用于移动电话的新型双工器，其电性能与介质双工器或SAW双工器相当，体积为11.9×5.6×1.9mm3，已在CDMA手机中使用。 电子技术论文网 　　应用射频PIN二极管的开关特性，设计成具有接收和发射互相隔离的两个通道的天线开关，其隔离度和插损等技术指标可满足GSM手机的要求，并具有体积小和价廉的特点，在GSM单频和双频手机中得到了广泛的应用，目前双频天线开关的外形尺寸可达到 5.4×4.0×1.8mm3，比以往产品减小了33%。 　　2.5 SAW滤波器 　　SAW滤波器在手机中广泛用于级间滤波，其特点是体积小、重量轻，电性能优良。随着半导体精细加工和多层陶瓷封装技术的发展，可为2G和3G移动电话提供多种射频和中频滤波器，而且体积不断减小。1998年射频SAW带通滤波器以3.8×3.8×1.5mm3尺寸为主流产品，目前以3.0×3.0×1.15mm3和2.5×2.0×1.0mm3为主流产品，体积减小了53%和77%，还可将GSM900/1800双射频滤波器设计在一个3.0×3.0×1.15mm3封装中。380MHz 的SAW中频滤波器的外型尺寸为3.0×3.0×1.15mm3。 　　2.6 电容器、电阻器和电感器 　　(1)电容器 　　在移动电话中用的电容器多为片状MLCC，其次是片状钽电容，在特殊电路中使用片状金属化薄膜电容。 　　MLCC的1类电容有多种电容温度系数组别，手机中多用COG（NPO）组，2类电容按电容温度特性则有X7R、X5R、Y5V等多组，外形尺寸从0.6×0.3mm2到5.7×5.0mm2，共8种规格。工作电压从6.3V到50V，共5种。手机设计师在考虑电容温度特性的前提下，都要追求大比容的产品。 电子技术论文网 　　目前MLCC的最小尺寸为0.6×0.3mm2，此规格的COG组容量为0.5～100pF（25V），X5R组容量为100～2200PF（25V），或为10000PF（6.3V），这意味着手机中的许多电容器都可以使用这样小的片状电容来解决。在稍大尺寸的3.2×1.6mm2规格中，COG组容量为3900～33000PF，X5R组可达22μF（6.3V），Y5V组可达22μF（10V）。在4.5×3.2mm2规格中，X5R组可达100μF（6.3V），Y5V组亦可达100μF（10V）。 　　片状电解电容用于电源滤波，常用规格的外形尺寸从2.0×1.25×1.2mm3到7.3×4.3×2.9mm3共8种，工作电压从4V到35V，电容量符合系列化要求，最大容量可达220μF（6.3V）或330μF（4V），但各厂家的外形尺寸相差较大。 　　松下的ECPU型金属化薄膜电容器几乎为手机专用，该产品外形尺寸有5种规格，最小为 2.0×1.25×1.2mm3，最大为3.2×2.5×1.4mm3，电容量从0.1～1.0μF。这种电容器具有很强的耐受冲击杂波的特点，特别适合于在PLL环路滤波器中使用。据介绍，世界主要手机生产厂商都使用了这种电容器。 　　(2)电阻器 　　片状电阻外形尺寸从0.6×0.3mm2到6.3×3.2mm2，有多种规格，额定功率从1/20W到1W，电阻值符合系列化要求。在移动电话中，通常使用外形尺寸0.6×0.3mm2（1/20W）和 1.0×0.5mm2（1/16W）的规格。 电子技术书籍网 　　(3)电感器 　　片状电感器有线绕式、薄膜式和多层式等类型。在移动电话中，高频电路用的电感器要求有良好的高频特性，电源滤波用的要求有较大的额定电流，在这两种场合都希望直流电阻要小，线绕片式电感的高频特性较好，额定电流较大，以往小型化受到限制，现最小尺寸也可做到1.20×0.64×0.66mm3，其电感量为1.0～47nH；1.80×1.10×1.00mm3规格的电感量为1.6～390nH。高频用的多层片式电感的最小尺寸为1.0×0.5×0.5mm3，电感量为1.0～100nH；1.6×0.8×0.8mm3规格的电感量为1.5～220nH；2.0×1.25×0.85mm3规格的电感量为1.5～470nH。通用型多层片式电感，2.0×1.25×0.85mm3规格的电感量可达33μH，有的厂家还可做到100μH，但额定电流较小。手机设计师通常根据电路的工作频率和电流以及电感器的价格，在线绕式和多层式之间灵活选择。 　　2.7 彩色显示屏 　　早期的移动电话，只能配置显示单行文字的黑白显示屏，仅可做简单的菜单操作提示。目前多使用大画面黑白显示屏。为了体现第三代移动通信的多媒体功能，显示彩色图像已成为需求，彩色显示屏将成为新一代手机的普通特征之一。第一台具有彩色显示屏的手机于1999年问世。据预测，到2005年使用黑白和彩色显示屏的手机将平分秋色。对彩色显示屏的基本要求是高响应速度、在室内和室外环境下的高可见性、全彩色、高分辨率、低功耗及紧凑的设计。 电子技术书籍网 　　目前推向市场的彩色液晶显示屏有STN（Super-Twist-Nematic 超扭曲向列）、TFT(Thin-film-Transistor 薄膜晶体管)、TFD（Thin-Film-Diode薄膜二极管）等类型，此外还有新发展的有机电致发光OLED(Organic Light-Emitting Diode)彩色显示屏。 　　（1）彩色STN 　　当前手机上使用的彩色液晶屏多为STN，其主要特点是功耗和价格较低，对手机厂商颇有吸引力。国外近期新推出的一些GPRS手机所配置的STN彩色液晶显示屏，像素为120×120或143×120，显示色数多为256色，也有个别的为4096色。STN的像素较低，不足以显示高像质的活动图像。 　　（2）彩色TFT和TFD 　　为了使新一代手机能显示高像质的高速视频，就需要使用TFT彩色液晶显示屏。日本产的TFT彩色液晶显示屏像素可达560×220，显示色数为26万色。 　　日本也有厂商正积极推广TFD彩色液晶显示屏，其特点是比TFT结构简单，功耗低，更适合于移动电话。典型产品的功耗，在显示静态图像时为3.5mW,显示30帧/秒视频时可控制在5mW。 　　（3）彩色OLED 　　有机电致发光OLED彩色显示屏是新一代显示技术。与液晶屏相比，OLED具有超薄、自发光、视角宽（水平170°）、响应快（几微秒）、发光效率高、功耗低、成本低等特点，已在手机中得到应用。 电子电路图 　　2.8 CMOS摄像模块 　　在使用手机时，可实时见到通话对方的音容笑貌，这将是3G手机的重要特征之一。据预测，到2004年，全世界将有6000万部手机增添摄像功能。目前世界上有实力的CMOS成像器件厂商都在研发专门供手机使用的摄像模块。对这种微型摄像机的基本要求是：应能在2.7V或更低的电压下工作，耗电量应低于100mW，同时支持静态和视频成像，分辨率要求达到CIF（352×288像素）或VGA（640×480像素）标准，整体封装尺寸应小于1立方厘米，能够集成传感器、光学器件、图像处理ASIC和机械外壳于一体，其成本应低于10美元。 　　第一代CMOS移动电话摄像模块Matisse已于去年提供给移动电话制造商。该模块的工作电压为2.8V，耗电量小于50mW，外型尺寸为10×10×7.5 mm3,并达到了CIF分辨率。 　　与CCD传感器相比，CMOS传感器在体积、功耗上具有优势，因手机对功耗和体积有特殊要求，使CCD传感器无法涉足这一市场。CCD传感器的灵敏度要高于CMOS传感器，但这个差距正在缩小。 　　2.9 蓝牙（Bluetooth）模块 　　所谓蓝牙，实际上是一个工作在2.4GHz频段的短距离（10～100 m）收发信机，模块中包含了射频和基带。在移动电话中嵌入微型廉价的蓝牙模块后，可用无线连接的方式，使移动电话与其它装有蓝牙模块的信息电器互连互通，传输速率为1Mb/s，移动电话本身亦可使用无绳耳塞。市面上已出现了嵌入蓝牙模块的GPRS手机。据预测，到2005年，具备蓝牙功能的移动电话将增长至3亿部。 电子电路图 　　蓝牙芯片与移动电话的集成，通常有3种解决方案：一是单芯片蓝牙射频/基带解决方案;二是双芯片蓝牙射频和基带处理器解决方案（为集成到移动电话主板上而设计的）；三是仅增加射频的解决方案，蓝牙数字基带处理在移动电话的基带芯片上进行。第3方案可使蓝牙芯片的成本最低、尺寸最小，但目前难以实现。芯片供应厂商多采用第1、2种方案。 　　据最新报道，TI的单芯片蓝牙解决方案BRF6100，可支持2.5G和3G移动电话标准，并可实现与7个连接设备的多点操作。芯片封装尺寸为6×6mm2，仅需5个外接元件，整个模块占用的面积小于90mm2。采用1.8V或3.0V供电，功耗为现有解决方案的一半。该产品将于2003年第一季度量产，成本可低于4美元。 电子技术书籍网 　　3. 结束语 近两三年来，移动电话元器件向着高频化、小型化、单片化、模块化的方向不断取得新进展，代表了目前手持式移动通信终端产品元器件的发展水平。许多新技术、新产品的开发成功，使诸多元器件更新换代，有力地推动了2.5G和3G移动电话的发展。本文所介绍的元器件，基本都是已商品化的产品，因资料搜集不够全面，有些产品的最新发展动态可能有所遗漏。另因篇幅所限，尚有多种元器件未能涉及，这些产品也同样取得了较大的进展。 电子技术论文网

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