分步集成在RF IC領(lǐng)域的應用

2004年5月A版

　　分步集成(integration-by-parts)是從大學(xué)一年級就學(xué)習過(guò)的一個(gè)概念，現在RF IC廠(chǎng)商正在將這一傳統方法應用于射頻無(wú)線(xiàn)電路的集成。Analog Devices、RF Micro Devices以及Maxim等無(wú)線(xiàn)IC領(lǐng)域的先鋒企業(yè)不斷設計生產(chǎn)新的構建模塊(IC)，然后針對特定的客戶(hù)或應用創(chuàng )建定制版本。隨后，這些專(zhuān)用器件被列入標準產(chǎn)品目錄。這些目錄中的產(chǎn)品本身又成為集成度更高的復雜產(chǎn)品的構建模塊。數字IC廠(chǎng)商企業(yè)自從1960年代以來(lái)一直在應用這一模式。RFIC半導體制造商在1990年代也采用這一模式，從而誕生了大量的RFIC企業(yè)和解決方案。

　　分步集成實(shí)際上意味著(zhù)設計周期只需要從已有的構建模塊開(kāi)始、創(chuàng )建不同的版本，然后再將這些構建模塊結合到集成程度更高的電路中去。RF IC廠(chǎng)商企業(yè)的第一波成功驗證了這一業(yè)務(wù)模式。

　　RFIC企業(yè)才剛剛發(fā)展起來(lái)，很快就迎來(lái)了.com時(shí)代。當時(shí)，籌集資金相對比較容易(當然是以今天的標準)，無(wú)生產(chǎn)線(xiàn)(fabless)半導體企業(yè)成為優(yōu)先選擇的企業(yè)模式。在大學(xué)的研究支持以及快速興起的藍牙、802.11x以及OC-48/192等標準的推動(dòng)下，這些企業(yè)經(jīng)常追求高度集成的通信產(chǎn)品，如RF或光學(xué)收發(fā)器(圖1)。此類(lèi)企業(yè)沒(méi)有采用分步集成的戰略。相反，他們通常專(zhuān)注于一種獨特的應用，努力的目標是使企業(yè)很快公開(kāi)上市或被收購。盡管這種做法最初是成功的，但幾種因素結合起來(lái)限制了其進(jìn)一步發(fā)展，這些因素包括.com泡沫破滅、經(jīng)濟陷入嚴重且漫長(cháng)的衰退之中，而傳統的投資價(jià)值又重新被重視。畢竟，企業(yè)的底線(xiàn)是最重要的。隨著(zhù)集成度的提高和全球不斷加劇的競爭，支持藍牙和802.11等標準的RF IC的利潤變得非常薄。這是因為大家都在競爭手機(圖2)中有限的RF IC芯片。由于目前生產(chǎn)能力過(guò)剩，我們可以設想這種情況一時(shí)很難改變，因此這些芯片組的價(jià)格將會(huì )很便宜。

　　大量新企業(yè)涌入藍牙或802.11這樣有限的市場(chǎng)。這使得原來(lái)以技術(shù)優(yōu)勢取勝的業(yè)務(wù)模式實(shí)際上僅能夠保持6個(gè)月(硬件更新的平均周期)左右的優(yōu)勢，并且很快會(huì )被其它企業(yè)超過(guò)。太多表面上的成功以及低進(jìn)入門(mén)檻迅速導致生產(chǎn)(供應)能力過(guò)剩。這些企業(yè)最終還是要靠出售產(chǎn)品賺錢(qián)，但他們的產(chǎn)品在消費電子市場(chǎng)中銷(xiāo)售時(shí)利潤極薄。換句話(huà)來(lái)說(shuō)，這種RFIC集成業(yè)務(wù)模式幾近崩潰。此外，消費電子市場(chǎng)的全球性特點(diǎn)，使得僅僅具有IC設計方面的知識并不足以支持一個(gè)成功的企業(yè)。Intersil公司出售其占有市場(chǎng)主要份額的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)業(yè)務(wù)就是一件令人震驚的事件。這一事件再次說(shuō)明了在消費電子領(lǐng)域賺錢(qián)的困難。

　　Peregrine最初也試圖抓住.com發(fā)展的趨勢，但Peregrine卻堅持采用傳統的方法來(lái)發(fā)展公司的產(chǎn)品線(xiàn)：即采用先前一代的分步集成業(yè)務(wù)模式。然而，Peregrine的方法與傳統仍然有所不同。Peregrine沒(méi)有從射頻單元的基帶一側開(kāi)始其集成工作，而是從天線(xiàn)一側開(kāi)始，首先集成原來(lái)由砷化鎵(GaAs)技術(shù)占據主導地位的功能。

集成

　　集成可提供許多好處，如降低成本、減小體積、提高性能、減少器件數量以及相關(guān)的供應商管理問(wèn)題，同時(shí)還可增加功能特性。在1980年代和1990年代，數字電路從大規模集成(LSI)發(fā)展到超大規模集成(VLSI)，將原來(lái)由分立的芯片完成的功能集成到單片器件中。技術(shù)進(jìn)步、設計工具以及大批量市場(chǎng)的發(fā)展是主要的推動(dòng)因素。RF集成仍然處于早期階段，這主要是由于還沒(méi)有發(fā)展出適用于RF IC設計的HDL方法。

　　盡管如此，RF IC集成仍然取得了出色的成就。在過(guò)去十年里，RF領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，從傳統的外差式高中頻(IF)和雙變換接收器發(fā)展為低中頻接收器，再到直接變換接收。同樣，解調過(guò)程也開(kāi)始使用數字技術(shù)，采用了中頻采樣和多通道接收器技術(shù)。發(fā)射器從壓控振蕩器(VCO)直接模擬調制發(fā)展為偏置同相和正交(IQ)調制，再到直接發(fā)射IQ調制。新的極化調制技術(shù)正在成為一種通用的發(fā)射結構。

　　射頻結構方面的許多改進(jìn)方法已經(jīng)存在數十年了，但制造工藝技術(shù)無(wú)法支持這些方法?？雌饋?lái)變化好象都是在過(guò)去幾年時(shí)間里冒出來(lái)的，但研究實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)行了多年。只不過(guò)高級硅制造工藝趕上來(lái)用了相當長(cháng)的時(shí)間。

集成所面臨的障礙

　　手機收發(fā)器的集成使用了多種可行的技術(shù)。實(shí)際上手機的射頻前端仍然處于技術(shù)分立的狀態(tài)。這主要是由于功率放大器以及相關(guān)的控制電路、開(kāi)關(guān)、防靜電(ESD)保護以及濾波器。研究的重點(diǎn)之一集中在利用硅技術(shù)實(shí)現功率放大器，不管是鍺硅(SiGe)、雙極互補金屬氧化物半導體(BiCMOS)還是Bulk CMOS技術(shù)都行?，F在，做到這一點(diǎn)已經(jīng)沒(méi)有問(wèn)題，但與III-V族化合物半導體的性能并不匹配。最主要的問(wèn)題是降低成本。

　　一旦克服了這一電路設計障礙，并且以合理的效率利用硅工藝實(shí)現了功率放大器(PA)，那么又必須面對另一項技術(shù)障礙。那就是隔離問(wèn)題。很難保證收發(fā)器的寄生信號在頻率復用射頻結構(如碼分多址(CDMA)系統)中不耦合到PA輸出和發(fā)射器的輸出信號中。隔離方面的限制妨礙了進(jìn)一步的集成。

　　那么，為什么不將射頻部分置于基帶芯片上？這是因為很難保證數字電路不影響RF功能的工作。Peregrine公司的蘭寶石上外延硅(silicon-on-sapphire)RF CMOS技術(shù)沒(méi)有其它硅工藝技術(shù)所面臨的導電和半導體襯底間的隔離限制。

　　砷化鎵(GaAs)確實(shí)能夠在半絕緣襯底上工作，但卻缺少要達到硅工藝那樣的集成水平所需要的互補器件。盡管GaAs曾被應用于RF和光電子系統的眾多領(lǐng)域，但現在僅用于基于硅的解決方案所無(wú)法滿(mǎn)足的高性能前端器件中。然而，即使是這最后一塊陣地GaAs似乎也守不住了。GaAs正在快速淡出。由于缺少互補器件，GaAs集成潛力有限，這也是對其未來(lái)發(fā)展前景看淡的原因。GaAs在微波波段也處于主導地位，但同樣，硅技術(shù)在這方面也獲得很大進(jìn)展。在手機中，GaAs通常用于功率放大器和天線(xiàn)開(kāi)關(guān)。這一情況正在改變。

Peregrine的RF CMOS器件

　　Peregrine的標準器件是按照分步集成方式制造的構造模塊。這些器件直接與業(yè)界的硅以及III-V族半導體器件競爭。在開(kāi)關(guān)方面，Peregrine的器件與手機天線(xiàn)開(kāi)關(guān)直接競爭，盡管GaAs器件先起步至少10年。Peregrine還制造用于有線(xiàn)電視(CATV)市場(chǎng)的高隔離度開(kāi)關(guān)。象PE4256這樣的單片開(kāi)關(guān)可代替CATV應用中的機械繼電器，從而可支持部署遠程可尋址的CATV傳輸系統，減少服務(wù)維護人員的出工次數。

　　這些開(kāi)關(guān)的內核還可用于集成有串行和并行接口的5位和6位數字步進(jìn)衰減器。Peregrine的RF CMOS工藝帶來(lái)的一個(gè)額外好處是可以預置上電衰減設置，這樣在微處理器取得對器件的控制之前，器件就可以置于預先設定的確定狀態(tài)。

市場(chǎng)對集成的需求

　　Peregrine開(kāi)發(fā)了系列單刀多擲手機天線(xiàn)開(kāi)關(guān)，利用RF CMOS工藝可以獲得10W的壓縮點(diǎn)。與GaAs不同，Peregrine可以集成CMOS控制邏輯。Peregrine還提供更好的ESD性能，同時(shí)不需要使用電容器陣列將開(kāi)關(guān)抬高到正控制邏輯。直到現在，GaAs非晶高電子遷移率晶體管(pHEMT)和PIN二極管是市場(chǎng)上唯一可滿(mǎn)足性能要求的技術(shù)。雙極器件無(wú)法制造開(kāi)關(guān)，而B(niǎo)ulk CMOS器件則在襯底插入損耗和滿(mǎn)足功率要求方面存在問(wèn)題。對于低插入損耗開(kāi)關(guān)，低導通電阻是必須的。下面的簡(jiǎn)單方程將插入損耗與串聯(lián)電阻值聯(lián)系起來(lái)。

IL = -10*log((4Rl^2/(Rs+Rl)^2)

　　對于開(kāi)關(guān)器件來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的參數是 Ron*Coff 乘積值。即器件的導通電阻乘以關(guān)斷電容。通過(guò)增大器件體積，可以降低器件的導通電阻，但此時(shí)關(guān)斷電容值以同樣的速度增加，從而減小可用帶寬并使高頻隔離惡化。Peregrine公司超薄硅(UTSi) RF CMOS技術(shù)制造的開(kāi)關(guān)，在Ron*Coff參數改善方面進(jìn)展迅速。UTSi開(kāi)關(guān)在過(guò)去三年時(shí)間里取得巨大進(jìn)步，更多的改進(jìn)已在日程之中。

　　由于這樣制造出的SP4T(單刀四擲)開(kāi)關(guān)性能與GaAs相當，而對于更大路數的開(kāi)關(guān)性能則優(yōu)于GaAs，因此隨著(zhù)手機多模式多頻帶這一趨勢所帶來(lái)的復雜性增加，RF CMOS技術(shù)將會(huì )變得更為重要。由于多路開(kāi)關(guān)基本上是天線(xiàn)之后的第一個(gè)器件，因此可以做為集成相鄰功能的基礎，如濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò )、功放(PA)以及低噪聲放大器(LNA)。

　　Peregrine的發(fā)展計劃是進(jìn)一步集成更多功能，首先是集成目前屬于功放模塊的一些功能。功放模塊中的射頻、無(wú)源和數字電路，包括偏置電路、輸出匹配以及功率控制電路都可與天線(xiàn)開(kāi)關(guān)集成到單塊芯片中。完全絕緣的蘭寶石襯底能夠制造出高品質(zhì)因數的無(wú)源器件，沒(méi)有電壓系數或電容性襯底耦合問(wèn)題。EEPROM不需要額外的掩膜步驟就可以集成進(jìn)來(lái)，從而可將功放的校正系數存儲在本地。這一E^2功能已經(jīng)應用于集成E^2的PLL中，對于固定頻率應用非常理想。發(fā)展計劃包括集成功放驅動(dòng)器，并且可在此基礎上設計出一類(lèi)新的功放單元，利用E^2查找表進(jìn)行預失真或極化調制。

　　由于藍寶石從紫外(UV)到紅外(IR)波段都是透明的，因此UTSi CMOS工藝被用來(lái)制造高性能并行光學(xué)互聯(lián)器件。

　　圖3給出了一個(gè)采用UTSi CMOS工藝制造的10 Gbps雙向(發(fā)送和接收)并行光學(xué)模塊。通過(guò)以倒裝片方式將垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)以及PIN光電檢測二極管連接到驅動(dòng)電路(激光驅動(dòng)電路和TIA/LA)上，幾乎可以解決所有與鍵合寄生參量以及對準相關(guān)的問(wèn)題。在藍寶石襯底上利用激光切割出對齊定位孔來(lái)提供機械自對準功能，從而可保證可靠的光學(xué)耦合?！?燦濤)