杂讯/线性效能大突破 硅基RF撼动砷化镓技术

2015-06-04 12:44:40来源: 新电子
    砷化镓射频(RF)元件凭藉着优异的杂讯处理及高线性等特色,成为高效能通讯设备开发人员长久以来的首选方案;然而,近来随着绝缘层覆矽(SOI)制程技术的突破,以矽材料为基础的RF元件性能已大幅突破,成为替代砷化镓方案的新选择。

近来矽基产品在技术上的突飞猛进,再结合设计制程的改变,使其在高效能射频(RF)及微波应用中,已逐步展现做为砷化镓替代方案的可行性。  
设备技术的快速进展带动的需求,通常可以引导发展出最佳设计,即使此一最佳设计在开始之初可能遭到质疑,但仍有获得实践及突破的机会。直到最近,工程师们在为4G基地台、宽频中继器、分散式天线等装置设计RF及微波电路时,都会选择使用砷化镓场效电晶体(GaAs FET),以达到最佳杂讯控制及线性效果。  

但在相同应用之中,囿于种种原因,矽基产品方案却很少为设计师们所考虑,如今矽基产品已有较以往更为有效的设计,包括大小、成本、可靠度、稳定时间等都已大幅提升,除此之外,在杂讯、失真、瞬间回应等方面亦皆有所改进,可以做为电路设计的重要组成。  

砷化镓技术优劣参半 

砷化镓技术在无线应用领域,始终扮演着重要角色,其优点是低杂讯及高度线性效果,此二者均超越了矽基产品。因为杂讯及线性是系统中的可变增益放大器、数位步进衰减器、切换器、调变器及混波器等重要组件的关键因素,而砷化镓在这两个方面的优越性能,使其长期成为工程师的首选。  

而矽基产品通常应用于数位环境,砷化镓则只能使用在类比应用中。数位的设计通常需要在多层基板之中纳入多晶片模组,但如此的设计通常颇为昂贵,且对于潮湿的环境相当敏感,以致必须予以特殊设计及处理。  

基于砷化镓的模组灵敏度等级通常是MSL3,故必须在密封后的一周之内予以启用,以确保不会因湿气而导致损坏或功效不佳,甚至导致设备在使用之初即失效。而以矽为材料的积体电路,是以四方平面无接脚(QFN)的方式予以个别封装,故灵敏度等级是较低的MSL1,不需要特殊处理,即可执行标准卷轴执行运送。  

矽基产品的QFN封装方法,相较于砷化镓的多个层板叠压方式,前者可以拥有较佳可靠度及更低的热电阻,简化了散热管理的设计。  

此外,砷化镓产品具有较低的静电释放(ESD),表示其只能承受500V的人体放电模式(Human-Body Model, HBM),而矽基产品则可承受2kV,二者相较的结果是砷化镓产品可能会在组装区域中,被较低等级的ESD事件所损坏,而相同功能的矽基产品则只需要较少的防静电措施。  

绝缘层覆矽(Silicon-On-Insulator, SOI)切换器通常具有如图1的RON x COFF等优点,同时可以在较大的隔离中,呈现较低的插入损耗。  


图1 基地台无线电区块图显示了矽基产品如何取代砷化镓(深灰色),同时又可以在高效RF装置中获得更好的可靠度、 更高的集成及更低的成本。
最后要说明的是砷化镓产品往往需要依赖外部的被动元件,如感应器或电阻,使得整体空间必须放大,才足以容纳这些外部元件,但同时也增加了复杂度。  
砷化镓切换器Gate Lag明显 
需要高速处理资料的设备,包括3G及4G通讯系统、工业系统等,都需要RF电晶体,才得以在接到指令后的时间要求内,完成处理或保持讯号的完整,称为安定时间(Settle Time)。此一安定时间会受到切换器的Gate Lag设定值所影响。一般而言,启动切换器后的Gate Lag可以是上升时间结束的10-90%,以及在完全稳定之后,与电阻的差异。这个值通常会在启动后的97.5-100%之间,Gate Lag也可视为RF输出功率由90%及完全100%的时间差。  

砷化镓产品都有明显的Gate Lag,特别是在低温环境下,它会显着影响系统效能。一个高速通讯系统就必须在作业之前,先等待Gate Lag造成的延迟,较长的安定时间可能会限制系统的处理速度及灵活性,也会拉长生产方案的测试时间。  

矽基RF方案性能突破 

虽然砷化镓产品有着上述缺点,但其卓越的杂讯系数及Third-Order-Intercept(IP3)线性处理能力,仍是难以取代的特色。直到现在,可以做为替代品的矽基产品,才以新一代技术克服传统的限制,提供了更可靠及更为经济的解决方案。  

新一代的RF切换器,如IDT的F2912产品,其采用SOI技术可以在功率放大器(PA)装配环境的高温下稳定运作,这些以矽为材料的切换器可以在大于120℃的高温下,仍然保有卓越的处理效能(0.7B插入损耗、+65dBm IP3及60dB的隔离)(图2)。  


图2 SOI切换器的处理效能(F2912)
IDT公司另一个以矽为材料的可变增益放大器(IF Variable-Gain Amplifiers, VGA)产品F1240,可经由FlatNoise技术,提供突破性的SNR功能,FlatNoise技术可以确保即使在增益减低时,仍可将杂讯系数维持在较低水准(如图3),而在过去的环境中,工程师必须毫无选择地接受每1dB带来的增益降低,而在强化的SNR系统中,可以在最多2dB的杂讯下,仍然保有较高线性处理效能。  


图3 FlatNoise 技术在IF VGA的杂讯系数
线性是近来在矽基产品的另一重大改进,如IDT即以矽为材料开发RF VGA产品,此产品采用 Zero-Distortion技术,可以在BW的2,000MHz环境中,达到>40dBm OIP3,同时在100mA的静态电流中,可拥有23dB的调整范围(图4)。一般情况下,在VGA更加优化的线性度及频宽,可为工程师提供更大的弹性,设计接收系统。  


图4 采用Zero-Distortion技术的新一代以矽为材料的RF VGA(F0480)

图5 Glitch-Free SOI DSA (F1950)
另一项重要的创新技术Glitch-Free,则可以克服数位步进衰减器(Digital Step Attenuators, DSA)作业的不良影响。Glitch-Free可以在MSB状态中,有效降低瞬间过高的杂讯,由10dB降至0.5dB。在如发射器的精密电子装置中,此技术可以确保增益功能在相邻组件间顺利转换。由过往的经验可知,较大的10dB故障将会损害下游功率放大器。除此之外,传统DSA需要较长的设定时间,此一特性会降低Time-Domain Duplex(TDD)系统的转换效能,藉由Glitch-Free技术,可以有效消除上述不良影响,提升系统可靠度,同时可以更灵活地运用TDD系统。  

砷化镓放大器凭藉着优异的杂讯处理及高度线性等特性,使其成为设计师在高性能RF装置的首选。然而,近来以矽基产品的设计已在杂讯及线性等方面,以各种技术取得突破性进展,这些技术包括SOI、Zero-Distortion、Glitch-Free等,使得矽基产品在成为砷化镓替代品的选择上,更前进一大步。  

关键字:硅基RF  砷化镓

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/0604/article_42586.html
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