VGA应用中硅器件注定要改变砷化镓一统的局面？
发布时间：2015-4-14 15:07
发布者：designapp
|
硅器件技术的改进，结合在设计方面的优化，意味着现在可以在高性能射频和微波系统中真正替代砷化镓器件 半导体技术的快速发展可导致原有的最佳设计理念受到质疑。直到前不久，4G基站、宽带中继器（repeaters）或分布式天线系统等应用的工程师在设计射频和微波电路时还会自动地选择砷化镓场效应管（GaAs FET），以达到最佳的噪声系数和线性度，硅器件则很少会被考虑。然而，随着尺寸大小、成本、可靠性和稳定时间（settling time）等问题变得越来越重要，目前的硅器件已经成为一个绝佳的方案，硅器件的技术进步也改善了噪声、失真和瞬态响应等关键指标。 砷化镓器件优势和劣势 砷化镓一直是推动无线技术革新的关键技术，它可提供超越当代硅器件的低噪声指数和高线性度。由于噪声系数和线性度是决定总失真的主要因素，而总失真由一些关键功能所引入，包括可变增益放大器（VGA）、数字步进衰减器（DSA）、开关、混频器和调制器等，GaAs器件通常是那些需要最好信令性能应用的默认选择。 作为一种比传统基于硅的制造工艺更专业的技术，砷化镓的应用相对局限于纯模拟功能。如果把数字电路包括在一起通常需要在层叠基板设计一个多芯模块，这种结构非常昂贵，并可导致潮湿敏感度退化，从而需要特殊的储存和处理条件。基于砷化镓的模块通常具有MSL3灵敏度等级，因此必须在密封后一周内用掉，以保证吸收的潮湿不至于损坏器件从而导致早期失效。基于硅的器件通常是单芯片以QFN封装实现，具有较低的灵敏度MSL1等级，可以采用标准的卷轴运输，不需要特殊的处理流程。 相比基于GaAs的层叠模块，QFN封装的硅器件也受益于更低的热阻，这有助于实现更高可靠性，简化热管理和散热设计的要求。 此外，GaAs器件具有相对较低的抗静电放电（ESD）能力，通常仅能承受500V的人体静电放电（HBM）域值，而相比之下硅器件可承受2kV。因此，GaAs器件可以很容易地被一个典型的装配区域可能发生低级别ESD事件损坏，类似的硅器件则不需要特别严格的防静电保护措施。 绝缘体上硅片（SOI）开关也通常具有优良的RON x COFF，因此表现出较低的插入损耗，同时还允许更大的隔离度。 最后，包含有GaAs器件的电路一般都需要依赖电感和电阻等外部无源元件，这些元件会占用额外的空间，并增大方案的复杂性。  图1：基站无线电方框图可表明哪些以及如何用硅器件来取代砷化镓（蓝色），以便在高性能射频设备中实现更好的可靠性、集成度和成本 砷化镓开关中的栅极迟滞 针对高数据速率3G和4G通信系统的基础设施设备以及其他的工业系统，需要RF晶体管在完成开关后尽快稳定下来，以便满足时间关键的性能要求或保持信号的完整性。稳定时间受与开关相关联的栅极迟滞的影响。开关接通所产生的栅极迟滞可以被认为是在10-90%上升时间完成点与开关完全稳定点之间的开关电阻的差值，典型地看，这是97.5%和100%导通时之间的差值。栅极迟滞也可以看作是器件的RF功率输出在90%振幅和完全稳定到100%时的时间差值。 众所周知，GaAs器件有明显的栅极迟滞，在低工作环境温度下尤其显著，它可以限制系统的性能。高速通信系统必须在开始传输之前等待该稳定时间。长的稳定时间可能会限制该系统的速度和灵活性，并且还可能在生产场合延长测试时间。 下一页：硅器件弥补性能差距 硅器件弥补性能差距 尽管砷化镓有上述公认的缺点，但与硅器件相比其卓越的噪声系数和三阶截取（IP3）线性度会胜过这些不足。然而，随着当今新技术发展的优势逐渐克服传统的局限，硅器件已经是GaAs较强的竞争对手，可以提供更经济和更可靠的解决方案。 IDT公司的F2912等新一代RF开关采用SOI技术，可以在或靠近PA装配线的非常高的温度环境下可靠地工作。这些新的硅基开关在温度高达+120℃时仍具有卓越的性能（0.4dB插入损耗，+65dBm IP3，60dB隔离度）。  图2a：高可靠性SOI开关性能（F2912） 类似于IDT F1240等新一代硅中频（IF）可变增益放大器通过集成FlatNoise 技术已经使信噪比（SNR）实现了突破性改进。 即使在增益降低时，FlatNoise技术可确保噪声系数保持很低（图2b）。而过去，伴随着增益每1dB的降低，工程师就不得不接受1dB噪声系数的降低。其结果是，该系统的SNR可以实现最多2dB的改善，同时仍然保持非常高的线性度。  图2b：FlatNoise技术对于中频VGA噪声指数的影响（F1240） 线性度是最近在硅器件中得到显著改善的另一个重要参数。 IDT公司的F0480硅基RF VGA采用了全新的Zero-DistortionTM（零失真）技术，能够实现大于40dBm的OIP3，2000MHz带宽，以及在只有100 mA静态电流下的23dB调整范围。总体而言，提高VGA的线性度和带宽使设计师在实现接收系统时具有更高的灵活性。  图2c：采用Zero-Distortion技术实现的全新宽带硅RF VGA (F0480) IDT公司通过开发Glitch-Free（无干扰）技术还克服了一个影响数字步进衰减器的重要缺陷。Glitch-Free技术降低了众所周知发生在MSB态从10dB转变到0.5dB时出现的瞬态过冲。在发射器等精密电平设置环境下，该技术可确保增益平滑地过渡到相邻的设置。从历史经验看，较大的10dB干扰（glitch）已经能够损害下游的功率放大器。此外，传统的DSA需要很长的时间实现稳定，这可降低时域双工（TDD）系统的处理性能（turnaround performance）。通过近乎消除这种过冲，Glitch-Free技术显著提高了系统的可靠性，并允许实现更灵活的TDD系统。  图2d：采用Glitch-Free技术实现的绝缘体上硅片DSA（F1950） 结论 GaAs放大器和开关所特有的高线性度和良好的噪声特性使得这项技术成为以往高性能射频设备设计师的默认选择。尽管硅基器件在可靠性、集成度和成本等方面有优秀表现，但GaAs在某些方面的优良性能使其建立了先入为主的市场地位。最近，硅基器件的可靠性、集成度和成本因素变得越来越重要，使人们对于硅器件重新产生了兴趣。由于采用了SOI、Zero-Distortion、Glitch-Free和其他新技术，硅基器件在噪声性能和线性度方面有了很大改进，这种技术目前已经是一个非常有吸引力的替代砷化镓方案。 |
网友评论