分步集成在RF IC领域的应用

2004年5月A版

　　分步集成(integration-by-parts)是从大学一年级就学习过的一个概念，现在RF IC厂商正在将这一传统方法应用于射频无线电路的集成。Analog Devices、RF Micro Devices以及Maxim等无线IC领域的先锋企业不断设计生产新的构建模块(IC)，然后针对特定的客户或应用创建定制版本。随后，这些专用器件被列入标准产品目录。这些目录中的产品本身又成为集成度更高的复杂产品的构建模块。数字IC厂商企业自从1960年代以来一直在应用这一模式。RFIC半导体制造商在1990年代也采用这一模式，从而诞生了大量的RFIC企业和解决方案。

　　分步集成实际上意味着设计周期只需要从已有的构建模块开始、创建不同的版本，然后再将这些构建模块结合到集成程度更高的电路中去。RF IC厂商企业的第一波成功验证了这一业务模式。

　　RFIC企业才刚刚发展起来，很快就迎来了.com时代。当时，筹集资金相对比较容易(当然是以今天的标准)，无生产线(fabless)半导体企业成为优先选择的企业模式。在大学的研究支持以及快速兴起的蓝牙、802.11x以及OC-48/192等标准的推动下，这些企业经常追求高度集成的通信产品，如RF或光学收发器(图1)。此类企业没有采用分步集成的战略。相反，他们通常专注于一种独特的应用，努力的目标是使企业很快公开上市或被收购。尽管这种做法最初是成功的，但几种因素结合起来限制了其进一步发展，这些因素包括.com泡沫破灭、经济陷入严重且漫长的衰退之中，而传统的投资价值又重新被重视。毕竟，企业的底线是最重要的。随着集成度的提高和全球不断加剧的竞争，支持蓝牙和802.11等标准的RF IC的利润变得非常薄。这是因为大家都在竞争手机(图2)中有限的RF IC芯片。由于目前生产能力过剩，我们可以设想这种情况一时很难改变，因此这些芯片组的价格将会很便宜。

　　大量新企业涌入蓝牙或802.11这样有限的市场。这使得原来以技术优势取胜的业务模式实际上仅能够保持6个月(硬件更新的平均周期)左右的优势，并且很快会被其它企业超过。太多表面上的成功以及低进入门槛迅速导致生产(供应)能力过剩。这些企业最终还是要靠出售产品赚钱，但他们的产品在消费电子市场中销售时利润极薄。换句话来说，这种RFIC集成业务模式几近崩溃。此外，消费电子市场的全球性特点，使得仅仅具有IC设计方面的知识并不足以支持一个成功的企业。Intersil公司出售其占有市场主要份额的无线局域网(WLAN)业务就是一件令人震惊的事件。这一事件再次说明了在消费电子领域赚钱的困难。

　　Peregrine最初也试图抓住.com发展的趋势，但Peregrine却坚持采用传统的方法来发展公司的产品线：即采用先前一代的分步集成业务模式。然而，Peregrine的方法与传统仍然有所不同。Peregrine没有从射频单元的基带一侧开始其集成工作，而是从天线一侧开始，首先集成原来由砷化镓(GaAs)技术占据主导地位的功能。

集成

　　集成可提供许多好处，如降低成本、减小体积、提高性能、减少器件数量以及相关的供应商管理问题，同时还可增加功能特性。在1980年代和1990年代，数字电路从大规模集成(LSI)发展到超大规模集成(VLSI)，将原来由分立的芯片完成的功能集成到单片器件中。技术进步、设计工具以及大批量市场的发展是主要的推动因素。RF集成仍然处于早期阶段，这主要是由于还没有发展出适用于RF IC设计的HDL方法。

　　尽管如此，RF IC集成仍然取得了出色的成就。在过去十年里，RF领域取得了巨大的进步，从传统的外差式高中频(IF)和双变换接收器发展为低中频接收器，再到直接变换接收。同样，解调过程也开始使用数字技术，采用了中频采样和多通道接收器技术。发射器从压控振荡器(VCO)直接模拟调制发展为偏置同相和正交(IQ)调制，再到直接发射IQ调制。新的极化调制技术正在成为一种通用的发射结构。

　　射频结构方面的许多改进方法已经存在数十年了，但制造工艺技术无法支持这些方法。看起来变化好象都是在过去几年时间里冒出来的，但研究实际上已经进行了多年。只不过高级硅制造工艺赶上来用了相当长的时间。

集成所面临的障碍

　　手机收发器的集成使用了多种可行的技术。实际上手机的射频前端仍然处于技术分立的状态。这主要是由于功率放大器以及相关的控制电路、开关、防静电(ESD)保护以及滤波器。研究的重点之一集中在利用硅技术实现功率放大器，不管是锗硅(SiGe)、双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)还是Bulk CMOS技术都行。现在，做到这一点已经没有问题，但与III-V族化合物半导体的性能并不匹配。最主要的问题是降低成本。

　　一旦克服了这一电路设计障碍，并且以合理的效率利用硅工艺实现了功率放大器(PA)，那么又必须面对另一项技术障碍。那就是隔离问题。很难保证收发器的寄生信号在频率复用射频结构(如码分多址(CDMA)系统)中不耦合到PA输出和发射器的输出信号中。隔离方面的限制妨碍了进一步的集成。

　　那么，为什么不将射频部分置于基带芯片上？这是因为很难保证数字电路不影响RF功能的工作。Peregrine公司的兰宝石上外延硅(silicon-on-sapphire)RF CMOS技术没有其它硅工艺技术所面临的导电和半导体衬底间的隔离限制。

　　砷化镓(GaAs)确实能够在半绝缘衬底上工作，但却缺少要达到硅工艺那样的集成水平所需要的互补器件。尽管GaAs曾被应用于RF和光电子系统的众多领域，但现在仅用于基于硅的解决方案所无法满足的高性能前端器件中。然而，即使是这最后一块阵地GaAs似乎也守不住了。GaAs正在快速淡出。由于缺少互补器件，GaAs集成潜力有限，这也是对其未来发展前景看淡的原因。GaAs在微波波段也处于主导地位，但同样，硅技术在这方面也获得很大进展。在手机中，GaAs通常用于功率放大器和天线开关。这一情况正在改变。

Peregrine的RF CMOS器件

　　Peregrine的标准器件是按照分步集成方式制造的构造模块。这些器件直接与业界的硅以及III-V族半导体器件竞争。在开关方面，Peregrine的器件与手机天线开关直接竞争，尽管GaAs器件先起步至少10年。Peregrine还制造用于有线电视(CATV)市场的高隔离度开关。象PE4256这样的单片开关可代替CATV应用中的机械继电器，从而可支持部署远程可寻址的CATV传输系统，减少服务维护人员的出工次数。

　　这些开关的内核还可用于集成有串行和并行接口的5位和6位数字步进衰减器。Peregrine的RF CMOS工艺带来的一个额外好处是可以预置上电衰减设置，这样在微处理器取得对器件的控制之前，器件就可以置于预先设定的确定状态。

市场对集成的需求

　　Peregrine开发了系列单刀多掷手机天线开关，利用RF CMOS工艺可以获得10W的压缩点。与GaAs不同，Peregrine可以集成CMOS控制逻辑。Peregrine还提供更好的ESD性能，同时不需要使用电容器阵列将开关抬高到正控制逻辑。直到现在，GaAs非晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)和PIN二极管是市场上唯一可满足性能要求的技术。双极器件无法制造开关，而Bulk CMOS器件则在衬底插入损耗和满足功率要求方面存在问题。对于低插入损耗开关，低导通电阻是必须的。下面的简单方程将插入损耗与串联电阻值联系起来。

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

　　对于开关器件来说，一个重要的参数是 Ron*Coff 乘积值。即器件的导通电阻乘以关断电容。通过增大器件体积，可以降低器件的导通电阻，但此时关断电容值以同样的速度增加，从而减小可用带宽并使高频隔离恶化。Peregrine公司超薄硅(UTSi) RF CMOS技术制造的开关，在Ron*Coff参数改善方面进展迅速。UTSi开关在过去三年时间里取得巨大进步，更多的改进已在日程之中。

　　由于这样制造出的SP4T(单刀四掷)开关性能与GaAs相当，而对于更大路数的开关性能则优于GaAs，因此随着手机多模式多频带这一趋势所带来的复杂性增加，RF CMOS技术将会变得更为重要。由于多路开关基本上是天线之后的第一个器件，因此可以做为集成相邻功能的基础，如滤波器、匹配网络、功放(PA)以及低噪声放大器(LNA)。

　　Peregrine的发展计划是进一步集成更多功能，首先是集成目前属于功放模块的一些功能。功放模块中的射频、无源和数字电路，包括偏置电路、输出匹配以及功率控制电路都可与天线开关集成到单块芯片中。完全绝缘的兰宝石衬底能够制造出高品质因数的无源器件，没有电压系数或电容性衬底耦合问题。EEPROM不需要额外的掩膜步骤就可以集成进来，从而可将功放的校正系数存储在本地。这一E^2功能已经应用于集成E^2的PLL中，对于固定频率应用非常理想。发展计划包括集成功放驱动器，并且可在此基础上设计出一类新的功放单元，利用E^2查找表进行预失真或极化调制。

　　由于蓝宝石从紫外(UV)到红外(IR)波段都是透明的，因此UTSi CMOS工艺被用来制造高性能并行光学互联器件。

　　图3给出了一个采用UTSi CMOS工艺制造的10 Gbps双向(发送和接收)并行光学模块。通过以倒装片方式将垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及PIN光电检测二极管连接到驱动电路(激光驱动电路和TIA/LA)上，几乎可以解决所有与键合寄生参量以及对准相关的问题。在蓝宝石衬底上利用激光切割出对齐定位孔来提供机械自对准功能，从而可保证可靠的光学耦合。■(灿涛)