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線性效能突破硅基RF將替代砷化鎵技術(shù)

2017-11-08 | rar | 0.3 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

 砷化鎵射頻RF)元件憑藉著優(yōu)異的雜訊處理及高線性等特色,成為高效能通訊設(shè)備開發(fā)人員長久以來的首選方案;然而,近來隨著絕緣層覆矽(SOI)制程技術(shù)的突破,以矽材料為基礎(chǔ)的RF元件性能已大幅突破,成為替代砷化鎵方案的新選擇。
  近來矽基產(chǎn)品在技術(shù)上的突飛猛進(jìn),再結(jié)合設(shè)計制程的改變,使其在高效能射頻(RF)及微波應(yīng)用中,已逐步展現(xiàn)做為砷化鎵替代方案的可行性。設(shè)備技術(shù)的快速進(jìn)展帶動的需求,通常可以引導(dǎo)發(fā)展出最佳設(shè)計,即使此一最佳設(shè)計在開始之初可能遭到質(zhì)疑,但仍有獲得實踐及突破的機會。直到最近,工程師 們在為4G基地臺、寬頻中繼器、分散式天線等裝置設(shè)計RF及微波電路時,都會選擇使用砷化鎵場效電晶體(GaAs FET),以達(dá)到最佳雜訊控制及線性效果。
  但在相同應(yīng)用之中,囿于種種原因,矽基產(chǎn)品方案卻很少為設(shè)計師們所考慮,如今矽基產(chǎn)品已有較以往更為有效的設(shè)計,包括大小、成本、可靠度、穩(wěn)定時間等都已大幅提升,除此之外,在雜訊、失真、瞬間回應(yīng)等方面亦皆有所改進(jìn),可以做為電路設(shè)計的重要組成。
  砷化鎵技術(shù)優(yōu)劣參半
  砷化鎵技術(shù)在無線應(yīng)用領(lǐng)域,始終扮演著重要角色,其優(yōu)點是低雜訊及高度線性效果,此二者均超越了矽基產(chǎn)品。因為雜訊及線性是系統(tǒng)中的可變增益放大器、數(shù) 位步進(jìn)衰減器、切換器、調(diào)變器及混波器等重要組件的關(guān)鍵因素,而砷化鎵在這兩個方面的優(yōu)越性能,使其長期成為工程師的首選。
  而矽基產(chǎn)品通常應(yīng)用于數(shù)位環(huán)境,砷化鎵則只能使用在類比應(yīng)用中。數(shù)位的設(shè)計通常需要在多層基板之中納入多晶片模組,但如此的設(shè)計通常頗為昂貴,且對于潮濕的環(huán)境相當(dāng)敏感,以致必須予以特殊設(shè)計及處理。
  基于砷化鎵的模組靈敏度等級通常是MSL3,故必須在密封后的一周之內(nèi)予以啟用,以確保不會因濕氣而導(dǎo)致?lián)p壞或功效不佳,甚至導(dǎo)致設(shè)備在使用之初即失 效。而以矽為材料的積體電路,是以四方平面無接腳(QFN)的方式予以個別封裝,故靈敏度等級是較低的MSL1,不需要特殊處理,即可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)卷軸執(zhí)行運 送。
  矽基產(chǎn)品的QFN封裝方法,相較于砷化鎵的多個層板疊壓方式,前者可以擁有較佳可靠度及更低的熱電阻,簡化了散熱管理的設(shè)計。此外,砷化鎵產(chǎn)品具有較低的靜電釋放(ESD),表示其只能承受500V的人體放電模式(Human-Body Model, HBM),而矽基產(chǎn)品則可承受2kV,二者相較的結(jié)果是砷化鎵產(chǎn)品可能會在組裝區(qū)域中,被較低等級的ESD事件所損壞,而相同功能的矽基產(chǎn)品則只需要較少 的防靜電措施。
  絕緣層覆矽(Silicon-On-Insulator, SOI)切換器通常具有如圖1的RON x COFF等優(yōu)點,同時可以在較大的隔離中,呈現(xiàn)較低的插入損耗。圖1 基地臺無線電區(qū)塊圖顯示了矽基產(chǎn)品如何取代砷化鎵(深灰色),同時又可以在高效RF裝置中獲得更好的可靠度、 更高的集成及更低的成本。最后要說明的是砷化鎵產(chǎn)品往往需要依賴外部的被動元件,如感應(yīng)器或電阻,使得整體空間必須放大,才足以容納這些外部元件,但同時也增加了復(fù)雜度。
  砷化鎵切換器Gate Lag明顯
  需要高速處理資料的設(shè)備,包括3G及4G通訊系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)等,都需要RF電晶體,才得以在接到指令后的時間要求內(nèi),完成處理或保持訊號的完整,稱為安 定時間(Settle Time)。此一安定時間會受到切換器的Gate Lag設(shè)定值所影響。一般而言,啟動切換器后的Gate Lag可以是上升時間結(jié)束的10-90%,以及在完全穩(wěn)定之后,與電阻的差異。這個值通常會在啟動后的97.5-100%之間,Gate Lag也可視為RF輸出功率由90%及完全100%的時間差。
  砷化鎵產(chǎn)品都有明顯的Gate Lag,特別是在低溫環(huán)境下,它會顯著影響系統(tǒng)效能。一個高速通訊系統(tǒng)就必須在作業(yè)之前,先等待Gate Lag造成的延遲,較長的安定時間可能會限制系統(tǒng)的處理速度及靈活性,也會拉長生產(chǎn)方案的測試時間。
  矽基RF方案性能突破
  雖然砷化鎵產(chǎn)品有著上述缺點,但其卓越的雜訊系數(shù)及Third-Order-Intercept(IP3)線性處理能力,仍是難以取代的特色。直到現(xiàn)在,可以做為替代品的矽基產(chǎn)品,才以新一代技術(shù)克服傳統(tǒng)的限制,提供了更可靠及更為經(jīng)濟(jì)的解決方案。新一代的RF切換器,如IDT的F2912產(chǎn)品,其采用SOI技術(shù)可以在功率放大器(PA)裝配環(huán)境的高溫下穩(wěn)定運作,這些以矽為材料的切換器可以在大于120℃的高溫下,仍然保有卓越的處理效能(0.7B插入損耗、+65dBm IP3及60dB的隔離)(圖2)。
  線性效能突破硅基RF將替代砷化鎵技術(shù)
  圖2 SOI切換器的處理效能(F2912)
  IDT公司另一個以矽為材料的可變增益放大器(IF Variable-Gain Amplifiers, VGA)產(chǎn)品F1240,可經(jīng)由FlatNoise技術(shù),提供突破性的SNR功能,F(xiàn)latNoise技術(shù)可以確保即使在增益減低時,仍可將雜訊系數(shù)維持 在較低水準(zhǔn)(如圖3),而在過去的環(huán)境中,工程師必須毫無選擇地接受每1dB帶來的增益降低,而在強化的SNR系統(tǒng)中,可以在最多2dB的雜訊下,仍然保 有較高線性處理效能。
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