RFIC(射頻集成電路)�90年代中期以來隨著IC工藝改進而出�(xiàn)的一種新型器��
射頻通常指包括高�、甚高頻和超高頻,其頻率�300KHz-300GHz,是無線通信�(lǐng)域最為活躍的頻段。二十世紀�,無線通信技�(shù)得到了飛躍式的發(fā)�,射頻器件快速的代替了使用分立半�(dǎo)體器件的混合電路,這些技�(shù)都是對設(shè)計者的挑戰(zhàn)�
RFIC的技�(shù)基礎(chǔ)主要包括�
1)工作頻率更�、尺寸更小的新器件研��
2)專用高�、高速電路設(shè)計技�(shù)�
3)專用測試技�(shù)�
4)高頻封裝技�(shù)。本文將從IC技�(shù)的角度對該領(lǐng)�21世紀初出�(xiàn)的一些新動向進行簡要的綜述和分析�
SoC(系�(tǒng)芯片)是近幾年國際半�(dǎo)體業(yè)�(fā)展的熱點,也是未來半�(dǎo)體業(yè)�(fā)展方�� 隨著IC工藝達到并跨�90nm節(jié)點,芯片上單個MOS器件的工作頻率已�(jīng)可以上升到微�、毫米波頻段,因此,可以將RF前端與數(shù)字基帶部分集成起來制成RF SoC。這一新概念產(chǎn)品將大大減少整個通信系統(tǒng)中的器件�(shù)量,從而降低產(chǎn)品成�,減小其體積并提高功能度,同時提高可靠�。這一技�(shù)的推廣有望引起產(chǎn)�(yè)鏈的變革�21世紀Agilent、IBM、STMicroelectronic、Frees cale等公司都在研�(fā)RF SoC�(chǎn)�,有望于2013年投放市�� RF SoC的工藝平臺可以是CMOS、SiGe��21世紀�,在試驗室中已經(jīng)可以用CMOS技�(shù)實現(xiàn)毫米波電路。如果進一步采用SOI(Sion-Insulator,絕緣體硅)、SoN(Sion-Nothing,懸空硅)等新型襯底技�(shù),則由于這些襯底中帶有高電阻的埋氧層,可保證射頻損耗小和器件的高速工�,而且射頻部分與基帶部分的�?dāng)_小,另外,設(shè)計者可以將nMOSFET與SiGe HBT通過BiCMOS工藝平臺�(jié)合起�,利用兩種的高速性能,實�(xiàn)低壓、低功率�30-80GHz范圍�(nèi)的毫米波芯片�21世紀該技�(shù)已經(jīng)推出了樣品。RF SoC在商�(yè)上的成功與普通SoC一�,取決于是否能保證很短的�(zhuǎn)向時�、很低的成本和很好的IP或設(shè)計庫�(fù)��
與其他IC一�,RFIC�(shè)計在商業(yè)上的成敗在于其設(shè)計周期和上市時間。因此,研發(fā)者選用的�(shè)計與驗證工具,應(yīng)該保證設(shè)計的�(yōu)化和可測性、可靠�,并減少甚至消除流片驗證的必�。設(shè)計軟件必須包括Top-Down(自頂向下)的各層次的設(shè)計與驗證模塊,而且能讓�(shè)計者在各個流程和模塊之間自由交換�(shè)計數(shù)�(jù)和仿真結(jié)�,協(xié)�(diào)�(shè)計數(shù)�(jù)的同步更新,直到簽發(fā)�(shè)計文件為�;設(shè)計軟件還�(yīng)該與測試系統(tǒng)接口,以便利用測試數(shù)�(jù)來修正原有的�(shè)�。目前有代表性的�(shè)計軟件包括:Agilent的ADS,AppliedWaveResearch公司的MicrowaveOffice和AnalogOffice等軟件工�。它們一般具有友好的�(shè)計界面,靈活、開放的架構(gòu),具有從綜合到版圖設(shè)計等不同層次的設(shè)計模�,支持第3方設(shè)�、測試軟�,帶有使用方便的物理�(shè)計工具和模型提取工具。其中Ansoft公司推出了具有數(shù)�(jù)輸入和可視化功能以及時間、頻率、混合模式仿真的AnsoftDesigner。在系統(tǒng)級仿真時,除了其射頻與DSP元件庫以�,AnsoftDesigner支持編譯型和解釋型C和C++用戶自定義模型的�(lián)合仿真,以及Mathworks公司的Matlab�(lián)合仿�。電路仿真求解包括為獲得非線性噪�、瞬�(tài)、數(shù)字調(diào)�、非線性穩(wěn)定性以及負載與信源拉升而進行的分析。它還具有適用于濾波器和傳輸線的�(shè)計綜合功�。該�(chǎn)品包括一個布局與制造模塊以及一�3D平面電磁仿真引擎。不�,RFIC在本�(zhì)上是模擬�,其�(shè)計往往必需充分利用有源/無源器件的性能�21世紀時仍受到器件模型不準確、噪聲和非線性等問題的困��21世紀時這些軟件要能像數(shù)字電路仿真軟件那樣具有極高的仿真效率,還有較長的一段路要走。隨著RFSoC概念日益走向�(yīng)�,設(shè)計者也將越來越多地面對RF、模擬和�(shù)字混合信號電路的�(shè)計問�。在頻率域中對數(shù)字電路塊的仿真是毫無意義的,模擬部分的設(shè)計也不同于射頻部�,因此各種設(shè)計方法之間常常會不匹�。設(shè)計師幾乎總是在時間域中進行�(shù)字設(shè)�,而在頻率域中進行射頻�(shè)計(為了提高仿真速度)。把兩種類型的設(shè)計集成在同一塊芯片上,可能意味著整個芯片的仿真時間會拉長到不現(xiàn)實的地步。在模擬電路�(shè)計中�21世紀時人們已�(jīng)努力實現(xiàn)了某種程度的Top-Down綜合能力和IP的復(fù)�,但在射頻部分的�(shè)計中,人�?nèi)匀灰苑治鰹橹鳎疫@種分析必須包括有源和無源器件,要實現(xiàn)RF�(shè)計的綜合似乎還遙遙無期。設(shè)計者們需要一種能同時處理高速數(shù)字電�、模擬電路和RF電路的工�。RFSoC是一個小系統(tǒng),人們必須從系統(tǒng)的觀點來觀察和分析,因此在�(shè)計時,必須考慮到數(shù)�、模擬和RF電路集成到單塊襯底上帶來的問�,包括:集成天線和無源器件的仿真和參�(shù)提取,VCO的牽引問�,襯底的建模和信號通過襯底的耦合,快速的系統(tǒng)級仿真等。上述關(guān)于RFSoC的問題將是下一步RFIC電路�(shè)計的重點和難�。隨著計算機計算能力的飛速發(fā)�,電磁仿真的速度、可以處理的問題的規(guī)模以及計算精度也不斷得到提高。因此未來基于CEM(計算電磁學(xué))的仿真方法也將日益滲透到RFIC的設(shè)計中,各種全波仿真方法(如矩量法和有限元方法)從物理上保證電路實體結(jié)�(gòu)(特別是連接�、平�?zhèn)鬏斁�、不連續(xù)點和無源元件)的電磁特性的獲得。它們的運用將是RFIC精度提高的根本保�,各CAD工具廠商已經(jīng)在努力將基于CEM的方法融入RFIC仿真中。用戶還可以使用AgilentMomentum(一種基于矩量法�2.5D仿真技�(shù)�,生成片上無源元件和互連線路的基于電磁場的精確模型。你可以直接在Cadence電路原理圖中仿真這些基于電磁波的模型,而不必進行通常的轉(zhuǎn)換來近似集總元件模型,從而使無線和高速有線設(shè)備獲得更高的精確�。Momentum電磁建模和驗證功能也是現(xiàn)有阻容提取工具的一種協(xié)作工�。它有助于關(guān)鍵的�(shè)計網(wǎng)�(luò)獲得所需的建模精確度,而這些�(wǎng)�(luò)出現(xiàn)的故障可能會損害整個流程的運行�2013年后將很有可能出�(xiàn)能對各種RF模塊中任意功能單元的無源部分進行仿真的CAD軟件�
MEMS(微機電系統(tǒng))是指將傳感�、執(zhí)行器和控制電路集成在芯片上的微型機電系統(tǒng)�21世紀基于該技�(shù)的各種傳感器和檢測芯片已�(jīng)成熟。在RF�(lǐng)域中,MEMS麥克�(fēng)、指紋識別等微型傳感器已�(jīng)或者即將用于手機、PDA等移動數(shù)碼裝�。MEMS還可以直接處理RF信號,制作出RF芯片或者在RF芯片上加工出某些無源器件�(jié)�(gòu),這些器件和結(jié)�(gòu)被稱為RFMEMS,它們將是RFIC未來�(fā)展的一種重要方��21世紀RFMEMS可以在RFIC襯底上制造電�、可�(diào)電容、開�(guān)、移相器、機電諧振器、可�(diào)諧濾波器�,這些無源器件的射頻損耗遠遠小于常�(guī)RFIC(從低頻直到40GHz,其射頻插損均小�0.1dB�,直流功耗小,非線性小,參�(shù)�(diào)節(jié)范圍�,Q值高。這些器件還可以與RF有源器件集成在一個襯底上,極大地提高電路的整體性能和集成度,在很多方面對傳�(tǒng)的分立的和片上的射頻無源器件�(gòu)成了挑戰(zhàn)�
21世紀MEMtronics等公司已�(jīng)推出了性能�(yōu)�、可靠性好的開�(guān)、移相器等產(chǎn)�,它們可望用于相控陣、智能局域網(wǎng)天線等場�??梢灶A(yù)�,在不遠的將�,RFMEMS器件將滲透到各種RFIC�,成為RFIC的一個有機組成部分,大大提高其性能,是一種不可忽視的技�(shù)�
RFSOC的出�(xiàn),意味著在更小的空間�(nèi)將安排更多的電路和配置更多的引腳。多引腳器件要求更多的測試通道來保持足夠的速度和吞吐量,同時還要求在有限的生產(chǎn)空間�(nèi)提高測試系統(tǒng)密度。這些因素推動了測試技�(shù)向其極限�(fā)展。此�,為了避免不合格�(chǎn)品成為減少生�(chǎn)成本的沉重負�(dān),制造商�(zhuǎn)而采用更多的�(yù)先測試,以便在生�(chǎn)過程中盡早淘汰掉不合格的部件。但令人遺憾的是,生�(chǎn)線上使用的“大機柜式”功能測試系�(tǒng)通常并非是在生產(chǎn)初期進行部件和射頻電路的�(shè)計技�(shù)。工程師們正在把射頻電路與模擬及�(shù)字電路集成在一�。一方面Gbit/s的數(shù)�(jù)速率正在使數(shù)字電路像微波電路那樣工作。不斷推出而且日益�(fù)雜的無線通信標準,如Wi-Fi802.11a/b/g、超寬帶和藍牙標�,都要求�(shè)計師去評估其�(shè)計對系統(tǒng)整體性能的影�。另一方面,各種信號在各引腳上可能會混合在一起傳�,而且各引腳間的信號將通過襯底等發(fā)生串?dāng)_,帶來噪聲方面的問題。因�,今后只有那些綜合具備了RF、模�、數(shù)字、嵌入式存儲和掃描能力而且能與片上探針臺接口的ATE(自動測試設(shè)備)才是各廠商的。能提供此類�(shè)備的廠商有Agilent、Teradyne、LTX和Credence�。另外還需要考慮的是片上探針臺的�(jié)�(gòu)和品�(zhì),以及校準的方便與否�
此外,測試工作應(yīng)該與�(shè)計工作很好地�(jié)合起�,作為反饋介入設(shè)計流程。AgilentConnectionMananer與各種RFDE無線測試基準一起使�,以便把�(shù)�(jù)從RFDE下載到測試儀�,所�,設(shè)計師可以在開�(fā)周期的較早時候進行系統(tǒng)驗證。這將是未來測試系�(tǒng)、軟件的重要的發(fā)展方向�
在RF事業(yè)飛速發(fā)展的今天,RFIC技�(shù)正不斷取得若干令人矚目的、可喜的進展,各種無線電裝置也早已脫下了過去笨重的外�,而變得“更�、更�、更強�。RFIC的研�(fā)與測試工程師認真�(guān)注著這些�(fā)展動�,努力跟上技�(shù)的潮流并推動技�(shù)的進步。正是他們的努力,使得RF技�(shù)呈現(xiàn)千帆競渡的宏偉景象,保證我們能夠不斷享受到信息社會中越來越方便的種種信息服�(wù)�
維庫電子�,電子知識,一查百��
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