分步集成在RF IC领域的应用

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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  基于UTSi的倒装光学芯片

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