分步集成在RF IC領(lǐng)域的應(yīng)用

2004年5月A版

　　分步集成(integration-by-parts)是從大學(xué)一年級(jí)就學(xué)習(xí)過(guò)的一個(gè)概念，現(xiàn)在RF IC廠商正在將這一傳統(tǒng)方法應(yīng)用于射頻無(wú)線電路的集成。Analog Devices、RF Micro Devices以及Maxim等無(wú)線IC領(lǐng)域的先鋒企業(yè)不斷設(shè)計(jì)生產(chǎn)新的構(gòu)建模塊(IC)，然后針對(duì)特定的客戶或應(yīng)用創(chuàng)建定制版本。隨后，這些專用器件被列入標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜產(chǎn)品的構(gòu)建模塊。數(shù)字IC廠商企業(yè)自從1960年代以來(lái)一直在應(yīng)用這一模式。RFIC半導(dǎo)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)際上意味著設(shè)計(jì)周期只需要從已有的構(gòu)建模塊開(kāi)始、創(chuàng)建不同的版本，然后再將這些構(gòu)建模塊結(jié)合到集成程度更高的電路中去。RF IC廠商企業(yè)的第一波成功驗(yàn)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(dāng)時(shí)，籌集資金相對(duì)比較容易(當(dāng)然是以今天的標(biāo)準(zhǔn))，無(wú)生產(chǎn)線(fabless)半導(dǎo)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(lán)牙、802.11x以及OC-48/192等標(biāo)準(zhǔn)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)。此類企業(yè)沒(méi)有采用分步集成的戰(zhàn)略。相反，他們通常專注于一種獨(dú)特的應(yīng)用，努力的目標(biāo)是使企業(yè)很快公開(kāi)上市或被收購(gòu)。盡管這種做法最初是成功的，但幾種因素結(jié)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(jì)陷入嚴(yán)重且漫長(zhǎng)的衰退之中，而傳統(tǒng)的投資價(jià)值又重新被重視。畢竟，企業(yè)的底線是最重要的。隨著集成度的提高和全球不斷加劇的競(jìng)爭(zhēng)，支持藍(lán)牙和802.11等標(biāo)準(zhǔn)的RF IC的利潤(rùn)變得非常薄。這是因?yàn)榇蠹叶荚诟?jìng)爭(zhēng)手機(jī)(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(shè)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(lán)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(shì)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(shì)，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)入門檻迅速導(dǎo)致生產(chǎn)(供應(yīng))能力過(guò)剩。這些企業(yè)最終還是要靠出售產(chǎn)品賺錢，但他們的產(chǎn)品在消費(fèi)電子市場(chǎng)中銷售時(shí)利潤(rùn)極薄。換句話來(lái)說(shuō)，這種RFIC集成業(yè)務(wù)模式幾近崩潰。此外，消費(fèi)電子市場(chǎng)的全球性特點(diǎn)，使得僅僅具有IC設(shè)計(jì)方面的知識(shí)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(fèi)電子領(lǐng)域賺錢的困難。

　　Peregrine最初也試圖抓住.com發(fā)展的趨勢(shì)，但Peregrine卻堅(jiān)持采用傳統(tǒng)的方法來(lái)發(fā)展公司的產(chǎn)品線：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(tǒng)仍然有所不同。Peregrine沒(méi)有從射頻單元的基帶一側(cè)開(kāi)始其集成工作，而是從天線一側(cè)開(kāi)始，首先集成原來(lái)由砷化鎵(GaAs)技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)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(shù)量以及相關(guān)的供應(yīng)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(shù)字電路從大規(guī)模集成(LSI)發(fā)展到超大規(guī)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(tǒng)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(diào)過(guò)程也開(kāi)始使用數(shù)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(diào)制發(fā)展為偏置同相和正交(IQ)調(diào)制，再到直接發(fā)射IQ調(diào)制。新的極化調(diào)制技術(shù)正在成為一種通用的發(fā)射結(jié)構(gòu)。

　　射頻結(jié)構(gòu)方面的許多改進(jìn)方法已經(jīng)存在數(shù)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(jí)硅制造工藝趕上來(lái)用了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

集成所面臨的障礙

　　手機(jī)收發(fā)器的集成使用了多種可行的技術(shù)。實(shí)際上手機(jī)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(hù)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(xiàn)功率放大器，不管是鍺硅(SiGe)、雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)還是Bulk CMOS技術(shù)都行?，F(xiàn)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(dǎo)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(shè)計(jì)障礙，并且以合理的效率利用硅工藝實(shí)現(xiàn)了功率放大器(PA)，那么又必須面對(duì)另一項(xiàng)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(hào)在頻率復(fù)用射頻結(jié)構(gòu)(如碼分多址(CDMA)系統(tǒng))中不耦合到PA輸出和發(fā)射器的輸出信號(hào)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?yàn)楹茈y保證數(shù)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(dǎo)電和半導(dǎo)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(dá)到硅工藝那樣的集成水平所需要的互補(bǔ)器件。盡管GaAs曾被應(yīng)用于RF和光電子系統(tǒng)的眾多領(lǐng)域，但現(xiàn)在僅用于基于硅的解決方案所無(wú)法滿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(bǔ)器件，GaAs集成潛力有限，這也是對(duì)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(dǎo)地位，但同樣，硅技術(shù)在這方面也獲得很大進(jìn)展。在手機(jī)中，GaAs通常用于功率放大器和天線開(kāi)關(guān)。這一情況正在改變。

Peregrine的RF CMOS器件

　　Peregrine的標(biāo)準(zhǔn)器件是按照分步集成方式制造的構(gòu)造模塊。這些器件直接與業(yè)界的硅以及III-V族半導(dǎo)體器件競(jìng)爭(zhēng)。在開(kāi)關(guān)方面，Peregrine的器件與手機(jī)天線開(kāi)關(guān)直接競(jìng)爭(zhēng)，盡管GaAs器件先起步至少10年。Peregrine還制造用于有線電視(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(yīng)用中的機(jī)械繼電器，從而可支持部署遠(yuǎn)程可尋址的CATV傳輸系統(tǒng)，減少服務(wù)維護(hù)人員的出工次數(shù)。

　　這些開(kāi)關(guān)的內(nèi)核還可用于集成有串行和并行接口的5位和6位數(shù)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(yù)置上電衰減設(shè)置，這樣在微處理器取得對(duì)器件的控制之前，器件就可以置于預(yù)先設(shè)定的確定狀態(tài)。

市場(chǎng)對(duì)集成的需求

　　Peregrine開(kāi)發(fā)了系列單刀多擲手機(jī)天線開(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(xiàn)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足功率要求方面存在問(wèn)題。對(duì)于低插入損耗開(kāi)關(guān)，低導(dǎo)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(duì)于開(kāi)關(guān)器件來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的參數(shù)是 Ron*Coff 乘積值。即器件的導(dǎo)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(dǎo)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(shù)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(dāng)，而對(duì)于更大路數(shù)的開(kāi)關(guān)性能則優(yōu)于GaAs，因此隨著手機(jī)多模式多頻帶這一趨勢(shì)所帶來(lái)的復(fù)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)基本上是天線之后的第一個(gè)器件，因此可以做為集成相鄰功能的基礎(chǔ)，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(jì)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(shù)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(shù)的無(wú)源器件，沒(méi)有電壓系數(shù)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(shù)存儲(chǔ)在本地。這一E^2功能已經(jīng)應(yīng)用于集成E^2的PLL中，對(duì)于固定頻率應(yīng)用非常理想。發(fā)展計(jì)劃包括集成功放驅(qū)動(dòng)器，并且可在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一類新的功放單元，利用E^2查找表進(jìn)行預(yù)失真或極化調(diào)制。

　　由于藍(lán)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(cè)二極管連接到驅(qū)動(dòng)電路(激光驅(qū)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(duì)準(zhǔn)相關(guān)的問(wèn)題。在藍(lán)寶石襯底上利用激光切割出對(duì)齊定位孔來(lái)提供機(jī)械自對(duì)準(zhǔn)功能，從而可保證可靠的光學(xué)耦合?！?燦濤)