射頻集成電路半導(dǎo)體器件技術(shù)與CAD

　　無(wú)線通信的迅猛發(fā)展對(duì)射頻技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，射頻集成電路（RFIC）的出現(xiàn)極大的推動(dòng)了無(wú)線技術(shù)的普及和應(yīng)用。文章主要介紹了當(dāng)前射頻集成電路研究中的半導(dǎo)體技術(shù)和CAD技術(shù)，并比較和討論了硅器件和砷化鎵器件、射頻集成電路CAD和傳統(tǒng)電路CAD的各自特點(diǎn)。

　　近年來(lái)，無(wú)線通信市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，特別是移動(dòng)電話、無(wú)線因特網(wǎng)接入業(yè)務(wù)的興起使人們對(duì)無(wú)線通信技術(shù)提出了更高的要求。體積小、重量輕、低功耗和低成本是無(wú)線通信終端發(fā)展的方向，射頻集成電路技術(shù)（RFIC）在其中扮演著關(guān)鍵角色。RFIC的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體器件、射頻電路分析方法，乃至接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都提出了新的要求。

　　半導(dǎo)體器件技術(shù)

　　在RF領(lǐng)域中, 性能、工藝的要求要比數(shù)字集成電路本身復(fù)雜得多。其中，功耗、速度、成品率是最主要的參數(shù)。同時(shí)，RF IC還要考慮到噪聲(寬帶和窄帶)、線性度、增益和功效。這樣, 應(yīng)用于RF IC中的優(yōu)化器件一直在不斷完善和發(fā)展。不同的RF功能部分將在不同的半導(dǎo)體器件工藝上實(shí)現(xiàn)。目前，RFIC中使用的半導(dǎo)體工藝主要有Si、SiGe、GaAs和InP。他們?cè)跓o(wú)線通信中的主要應(yīng)用范圍如圖1所示。

　　● 硅器件：硅集成電路計(jì)有硅雙極晶體管(Si-Bipolar Transistor)、硅-互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(Si-CMOS)、硅雙極互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(Bi-CMOS)或硅鍺異質(zhì)接面雙極晶體管(SiGe HBT)。

　　目前通信的頻率大抵在2 GHz以下，除功率放大器外，硅集成電路在射頻/中頻模塊較占優(yōu)勢(shì)，硅工藝因具有大量的產(chǎn)能，可以由射頻/中頻/基頻組成單芯片混合模式集成電路(single chip mixed mode IC)，并且可以單電源操作，在價(jià)格、積體化程度上遠(yuǎn)超過(guò)砷化鎵器件，砷化鎵與硅集成電路，因?yàn)椴牧咸匦缘牟煌?，設(shè)計(jì)的方法也大不相同，硅材料由于沒(méi)有半絕緣基板(Semi-insulation substrate)，等于在一個(gè)高損耗的基板上做電路設(shè)計(jì)，再加上器件本身的增益較低，若要達(dá)到與砷化鎵相當(dāng)?shù)母哳l電性，硅RFIC全系于晶體管微小化(如次微米R(shí)F CMOS)或材料結(jié)構(gòu)的改善(如SiGe異質(zhì)接面晶體管)，來(lái)提高器件的特征頻率fT。也必須借助溝槽隔離(trench isolation)等工藝，提高電路間的隔離度與Q值，工藝繁復(fù)、光罩?jǐn)?shù)眾多，不良率與成本也大幅提高，高頻模型也因?yàn)殡s散效應(yīng)明顯，不易掌握。目前硅工藝已可勝任超過(guò)5 GHz以上的RFIC，但對(duì)具低噪聲放大器、高功率放大器與開(kāi)關(guān)器等射頻前端仍有不足，故硅工藝的器件，將被定位于中頻模塊或低層(low tier)的射頻模塊。

　　需要特別指出的是，在無(wú)線收發(fā)器中，數(shù)字信號(hào)處理部分使用標(biāo)準(zhǔn)Si-CMOS工藝，通常占到芯片面積的75%以上,集成度及功耗等指標(biāo)的要求使得他不可能用CMOS以外的其他工藝實(shí)現(xiàn),所以只有實(shí)現(xiàn)CMOS集成射頻前端,才能實(shí)現(xiàn)單片集成的收發(fā)器并最終實(shí)現(xiàn)單片集成的移動(dòng)通信產(chǎn)品。目前隨著CMOS工藝的發(fā)展,它的單位增益截止頻率已經(jīng)接近GaAs水平,同時(shí)出現(xiàn)了一些采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的射頻前端的單元電路及收發(fā)器。這也使得采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信產(chǎn)品的單芯片集成成為可能。此外，CMOS工藝與其它工藝相比，集成度更高，成本低，功耗低，使得對(duì)它成為RFIC發(fā)展的主流方向。

　　● 砷化鎵器件：砷化鎵器件在高頻、高功率、高效率、低噪聲指數(shù)的電氣特性均遠(yuǎn)超過(guò)硅器件，空乏型砷化鎵場(chǎng)效晶體管(MESFET)或高電子遷移率晶體管(HEMT/PHEMT)，在3 V電壓操作下可以有80 %的功率增加效率(PAE: Power added efficiency)，非常適用于高層(high tier)的無(wú)線通信中長(zhǎng)距離、長(zhǎng)通信時(shí)間的需求，然而二者皆需要負(fù)電源，將增加產(chǎn)品使用的成本，HEMT器件繁復(fù)的長(zhǎng)晶與閘級(jí)寬度的控制，也影響工藝之一致性及易產(chǎn)性。增進(jìn)型(enhancement mode) E-mode MESFET/ HEMT，因?yàn)闊o(wú)需負(fù)電源，同時(shí)可維持其功率放大器之優(yōu)良特性，惟其輸出功率將被限制。異質(zhì)雙極晶體管(HBT)是另外一無(wú)需負(fù)電源的砷化鎵器件，其功率密度(power density)、電流推動(dòng)能力(current drive capability)與線性度(linearity)均超過(guò)FET，適合設(shè)計(jì)高功率、高效率、高線性度的微波放大器，HBT為最佳器件的選擇。而HBT器件在相位噪聲，高gm、高功率密度、崩潰電壓與線性度上占優(yōu)勢(shì)，另外它可以單電源操作，因而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)及次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，十分適合于射頻及中頻收發(fā)模塊的研制，特別是微波信號(hào)源與高線性放大器等電路。

　　電路CAD技術(shù)

　　對(duì)集成電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)方法和高水平的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具是成功的關(guān)鍵。對(duì)于通常的VLSI，有包括從綜合、模擬、版圖設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試生成等在內(nèi)的一系列工具來(lái)支持整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。但對(duì)RFIC，目前尚不具備一整套完善的CAD工具，主要的前端設(shè)計(jì)工具是電路級(jí)的模擬或仿真。

　　●SPICE仿真的不足

　　通常的電路模擬使用的是以SPICE為代表的模擬技術(shù)，它支持多種仿真，見(jiàn)表1。但由于RFIC的特點(diǎn)，用這類電路模擬技術(shù)存在很多困難。

　　首先，RFIC的設(shè)計(jì)指標(biāo)大多是電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的指標(biāo)，如功率增益、交調(diào)與畸變等，用SPICE的時(shí)域模擬必須經(jīng)過(guò)一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程才能到達(dá)穩(wěn)態(tài)，對(duì)有較長(zhǎng)瞬態(tài)過(guò)程的電路，要耗費(fèi)大量的計(jì)算。

　　其次RFIC通常存在兩個(gè)或多個(gè)頻率或變化速度相差懸殊的信號(hào)。典型的情況是混頻器，載頻與信號(hào)頻率往往相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。其它如PLL的捕捉過(guò)程，振蕩器的起振過(guò)程等，用SPICE來(lái)模擬這些情況效率都很低，因模擬所需時(shí)間取決于最慢分量，而時(shí)間步長(zhǎng)取決于最快分量。

　　另外RFIC中存在互連、封裝等分布的寄生元件，SPICE也無(wú)法處理。這些元件準(zhǔn)確的特性要由電磁場(chǎng)分析給出，一般適宜在頻域中描述，不能直接用于時(shí)域中的分析。

　　最后，噪聲是決定IC系統(tǒng)性能，如信噪比，誤比特率的一個(gè)重要因素，但SPICE只能對(duì)線性放大器、且噪聲源為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的情形作噪聲分析，而對(duì)RFIC系統(tǒng)中的非線性電路，如混頻器、振蕩器，因噪聲受到大信號(hào)的調(diào)制，統(tǒng)計(jì)特性不再是平穩(wěn)的，且混頻噪聲與振蕩器的相位噪聲特性不同，不能用SPICE中線性電路的噪聲分析方法。
●RF電路仿真技術(shù)

　　由于上述原因，以SPICE為代表的傳統(tǒng)電路模擬無(wú)法滿足RFIC分析的需要。為此，在過(guò)去十幾年中發(fā)展了專門針對(duì)射頻與微波通信電路的模擬、仿真技術(shù)。

　　時(shí)域方法：時(shí)域仿真一般是在假設(shè)電路的穩(wěn)態(tài)相應(yīng)是周期的前提下求解電路時(shí)域微分方程組，即v(0)=v(T),其中，v是節(jié)點(diǎn)電壓向量，T是周期，v(0)是節(jié)點(diǎn)電壓零時(shí)刻的初始向量，v(T)是T時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)電壓向量，然后找到使方程有周期解的初始狀態(tài)v(0)。對(duì)于激勵(lì)信號(hào)是周期信號(hào)的電路，周期T是已知量，但對(duì)于振蕩電路，它的周期一般是未知的，所以除了確定v(0)外，還要確定周期T。

　　解上述方程組最常用的方法是牛頓試射法。它的基本原理是：假設(shè)電路相應(yīng)的周期T已知，在某個(gè)初始狀態(tài)下，在周期T 內(nèi)對(duì)電路做傳統(tǒng)的電路瞬態(tài)分析，判斷v(0)=v(T)是否滿足，如不滿足，令v(0)=v(T)，再做瞬態(tài)分析，如此迭代下去，直到找到滿足v(0)=v(T)的初始狀態(tài)。圖2是進(jìn)行了5次牛頓迭代的v(t)波形。

　　在上述過(guò)程中，要做大量的矩陣運(yùn)算，因此這對(duì)電路的規(guī)模有限制，目前的仿真一般不超過(guò)300個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　試射法是時(shí)域中的方法，電路非線性的強(qiáng)弱或信號(hào)是否接近正弦不影響方程規(guī)模與內(nèi)存量，迭代的收斂性取決于v(T)與v(0)之間關(guān)系非線性的程度，而不是電路本身的非線性，因此對(duì)一些強(qiáng)非線性電路也能收斂。它的缺點(diǎn)是較難處理分立元件。在時(shí)域中，要想準(zhǔn)確地計(jì)算失真，需要選擇合適地仿真允差和算法。

　　諧波平衡法：諧波平衡是一種在頻域求電路穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的方法。首先將信號(hào)表示成為傅立葉展開(kāi)的形式，在節(jié)點(diǎn)處的各次諧波分量都列寫KCL方程組，把時(shí)域中的微分方程轉(zhuǎn)化為頻域中的代數(shù)方程，然后用牛頓迭代求解傅立葉系數(shù)。需要特別注意的是由于非線性元件的特性表示是在時(shí)域中的，因此它們的計(jì)算要先在時(shí)域中進(jìn)行，再使用傅立葉變換將它們變換到頻域。而要計(jì)算時(shí)域的非線性電阻電流與非線性電容電荷，又要先用逆傅立葉變換將激勵(lì)信號(hào)V（ω）轉(zhuǎn)換到時(shí)域。

　　諧波平衡法實(shí)質(zhì)上是頻域中的非線性分析方法，適合于對(duì)非線性不強(qiáng)的電路做近似正弦的穩(wěn)態(tài)分析，如放大器的畸變與交調(diào)分析。當(dāng)電路的非線性較強(qiáng)時(shí)，就要取基波的很多次諧波分量來(lái)模擬失真的正弦信號(hào)，失真越大，取的諧波次數(shù)就越多，這樣就會(huì)使方程規(guī)模增大成非線性時(shí)的另一困難是迭代時(shí)更難收斂。

　　近年來(lái)為了加快分析速度，提高效率，以適RFIC的需要，在這兩種方法的基礎(chǔ)上有不少新的進(jìn)展，如基于Krylov子空間迭代的方法、包絡(luò)分析法、多變量偏微分方程法等。有興趣的讀者可參考有關(guān)文獻(xiàn)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　射頻集成電路的發(fā)展方向是更高的頻率應(yīng)用范圍和更寬的帶寬，這在實(shí)現(xiàn)上需要半導(dǎo)體技術(shù)新工藝的不斷發(fā)展，在設(shè)計(jì)中需要更加精確和可靠的CAD技術(shù)支持。