分步集成在RF IC領域的應用

分步集成(integration-by-parts)是從大學一年級就學習過的一個概念，現(xiàn)在RF IC廠商正在將這一傳統(tǒng)方法應用于射頻無線電路的集成。Analog Devices、RF Micro Devices以及Maxim等無線IC領域的先鋒企業(yè)不斷設計生產新的構建模塊(IC)，然后針對特定的客戶或應用創(chuàng)建定制版本。隨后，這些專用器件被列入標準產品目錄。這些目錄中的產品本身又成為集成度更高的復雜產品的構建模塊。數(shù)字IC廠商企業(yè)自從1960年代以來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。

分步集成實際上意味著設計周期只需要從已有的構建模塊開始、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廠商企業(yè)的第一波成功驗證了這一業(yè)務模式。

RFIC企業(yè)才剛剛發(fā)展起來，很快就迎來了.com時代。當時，籌集資金相對比較容易(當然是以今天的標準)，無生產線(fabless)半導體企業(yè)成為優(yōu)先選擇的企業(yè)模式。在大學的研究支持以及快速興起的藍牙、802.11x以及OC-48/192等標準的推動下，這些企業(yè)經常追求高度集成的通信產品，如RF或光學收發(fā)器(圖1)。此類企業(yè)沒有采用分步集成的戰(zhàn)略。相反，他們通常專注于一種獨特的應用，努力的目標是使企業(yè)很快公開上市或被收購。盡管這種做法最初是成功的，但幾種因素結合起來限制了其進一步發(fā)展，這些因素包括.com泡沫破滅、經濟陷入嚴重且漫長的衰退之中，而傳統(tǒng)的投資價值又重新被重視。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。由于目前生產能力過剩，我們可以設想這種情況一時很難改變，因此這些芯片組的價格將會很便宜。

大量新企業(yè)涌入藍牙或802.11這樣有限的市場。這使得原來以技術優(yōu)勢取勝的業(yè)務模式實際上僅能夠保持6個月(硬件更新的平均周期)左右的優(yōu)勢，并且很快會被其它企業(yè)超過。太多表面上的成功以及低進入門檻迅速導致生產(供應)能力過剩。這些企業(yè)最終還是要靠出售產品賺錢，但他們的產品在消費電子市場中銷售時利潤極薄。換句話來說，這種RFIC集成業(yè)務模式幾近崩潰。此外，消費電子市場的全球性特點，使得僅僅具有IC設計方面的知識并不足以支持一個成功的企業(yè)。Intersil公司出售其占有市場主要份額的無線局域網(WLAN)業(yè)務就是一件令人震驚的事件。這一事件再次說明了在消費電子領域賺錢的困難。

Peregrine最初也試圖抓住.com發(fā)展的趨勢，但Peregrine卻堅持采用傳統(tǒng)的方法來發(fā)展公司的產品線：即采用先前一代的分步集成業(yè)務模式。然而，Peregrine的方法與傳統(tǒng)仍然有所不同。Peregrine沒有從射頻單元的基帶一側開始其集成工作，而是從天線一側開始，首先集成原來由砷化鎵(GaAs)技術占據(jù)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(shù)量以及相關的供應商管理問題，同時還可增加功能特性。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)，將原來由分立的芯片完成的功能集成到單片器件中。技術進步、設計工具以及大批量市場的發(fā)展是主要的推動因素。RF集成仍然處于早期階段，這主要是由于還沒有發(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。在過去十年里，RF領域取得了巨大的進步，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，解調過程也開始使用數(shù)字技術，采用了中頻采樣和多通道接收器技術。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方法已經存在數(shù)十年了，但制造工藝技術無法支持這些方法?？雌饋碜兓孟蠖际窃谶^去幾年時間里冒出來的，但研究實際上已經進行了多年。只不過高級硅制造工藝趕上來用了相當長的時間。

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。實際上手機的射頻前端仍然處于技術分立的狀態(tài)。這主要是由于功率放大器以及相關的控制電路、開關、防靜電(ESD)保護以及濾波器。研究的重點之一集中在利用硅技術實現(xiàn)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技術都行?，F(xiàn)在，做到這一點已經沒有問題，但與III-V族化合物半導體的性能并不匹配。最主要的問題是降低成本。

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現(xiàn)了功率放大器(PA)，那么又必須面對另一項技術障礙。那就是隔離問題。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(tǒng))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(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技術沒有其它硅工藝技術所面臨的導電和半導體襯底間的隔離限制。

砷化鎵(GaAs)確實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(tǒng)的眾多領域，但現(xiàn)在僅用于基于硅的解決方案所無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。由于缺少互補器件，GaAs集成潛力有限，這也是對其未來發(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，硅技術在這方面也獲得很大進展。在手機中，GaAs通常用于功率放大器和天線開關。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。在開關方面，Peregrine的器件與手機天線開關直接競爭，盡管GaAs器件先起步至少10年。Peregrine還制造用于有線電視(CATV)市場的高隔離度開關。象PE4256這樣的單片開關可代替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(tǒng)，減少服務維護人員的出工次數(shù)。

這些開關的內核還可用于集成有串行和并行接口的5位和6位數(shù)字步進衰減器。Peregrine的RF CMOS工藝帶來的一個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)。

市場對集成的需求

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

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

對于開關器件來說，一個重要的參數(shù)是 Ron*Coff 乘積值。即器件的導通電阻乘以關斷電容。通過增大器件體積，可以降低器件的導通電阻，但此時關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技術制造的開關，在Ron*Coff參數(shù)改善方面進展迅速。UTSi開關在過去三年時間里取得巨大進步，更多的改進已在日程之中。

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

Peregrine的發(fā)展計劃是進一步集成更多功能，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關集成到單塊芯片中。完全絕緣的蘭寶石襯底能夠制造出高品質因數(shù)的無源器件，沒有電壓系數(shù)或電容性襯底耦合問題。EEPROM不需要額外的掩膜步驟就可以集成進來，從而可將功放的校正系數(shù)存儲在本地。這一E^2功能已經應用于集成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器，并且可在此基礎上設計出一類新的功放單元，利用E^2查找表進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工藝被用來制造高性能并行光學互聯(lián)器件。

圖3  基于UTSi的倒裝光學芯片

圖3給出了一個采用UTSi CMOS工藝制造的10 Gbps雙向(發(fā)送和接收)并行光學模塊。通過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電路(激光驅動電路和TIA/LA)上，幾乎可以解決所有與鍵合寄生參量以及對準相關的問題。在藍寶石襯底上利用激光切割出對齊定位孔來提供機械自對準功能，從而可保證可靠的光學耦合。