GSM前端中下一代CMOS开关设计

Ultra CMOS技术

RF CMOS工艺可分为两大类：体硅工艺和SOI（绝缘体上硅）工艺。由于体硅CMOS在源和漏至衬底间存在二极管效应，造成种种弊端，多数专家认为采用这种工艺不可能制作高功率高线性度开关。与体硅不同，采用SOI工艺制作的RF开关，可将多个FET串联来对付高电压，就象GAAS开关一样。

SOI的一个特殊子集是蓝宝石上硅工艺，在该行业中通常称为Ultra CMOS。蓝宝石本质上是一种理想的绝缘体，衬底下的寄生电容的插入损耗高、隔离度低。Ultra CMOS能制作很大的RF FET，对厚度为150~225μm的正常衬底，几乎不存在寄生电容。

Ultra CMOS 工艺的基本结构如图2所示。晶体管采用介质隔离来提高抗闩锁能力和隔离度。为了达到完全的耗尽工作，硅层极薄至1000A。硅层如此之薄，以致消除了器件的体端，使它成为真正的三端器件。目前，Ultra CMOS 是在 标准6寸工艺设备上生产的，8寸生产线亦已试制成功。示范成品率可与其它CMOS工艺相媲美。

                                                                   图2、Ultra CMOS 器件结构图

尽管单个开关器件的BVDSS相对低些，但将多个FET串联堆叠仍能承爱高电压。为了确保电压在器件堆上的合理分压，FET至衬底间的寄生电容与FET的源与漏间寄生电容相比应忽略不计。当器件外围达到毫米级使总电阻较低时，要保证电压的合理分压，真正的绝缘衬底是必不可少的。

Ultra CMOS 开关插入损耗低，隔离度高。SP6T结构消除了双工器，大大地减少了总插入损耗。为了满足IEC1000-4-2ESD要求，天线处并联一个27nH电感再串联一个33pF电容已绰绰有余。这些元件也可集成在LTCC中，增加的插入损耗不到0.1dB。

GSM开关设计，特别是采用低压工艺，最困难之处在于满足线性度要求。上面已提及，只要将多个器件按需堆叠，就能实现任意高功率要求，然而在满足规范的同时，还要优化器件堆结构以减少芯片尺寸。已设计了一个示范性开关，当电源电压为2.4V时，其谐波功率对输入功率的关系和压缩性能示于图3中。在最大工作功率+35dBm处，Ultra CMOS开关相对于GSM规范-30dBm要求还有6dB的余量。采用Ultra CMOS工艺，畸变对正、负电压摆动是对称的，因而从本质上二次谐波的畸变是很低的。考虑到GSM发射频带的二次谐波恰好落在DCS接收频带中，低偶次谐波畸变正是GSM系统需要的。

                                           图3、GSM线性度性能（a）输出谐波功率对输入功率关系；(b)压缩性能

Ultra CMOS 的蓝宝石衬底特别适合倒装工艺。蓝宝石属于陶瓷类，其热膨胀系数和LTCC十分匹配。蓝宝石也是仅次于宝石最硬的衬底，能承受大的机械压力。具备这些特性的开关极易倒装在LTCC衬底上，消除了连线压焊占用面积。真正晶圆级芯片规模封装已在研发中，最终能生产出和标准表面贴装元件一样的开关。

小 结

Ultra CMOS 开关消除了译码器，隔直电容和双工器。该工艺和芯片规模封装技术相结合，能大大减少LTCC ASM的尺寸和厚度。高固有ESD承受能力和3控制线接口能简化实施方案和使用。Ultra CMOS工艺的高成品率以及实现更多开关掷数的可扩展性，为下一代手机更高级集成提供了可依遁的路线图。