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�(wú)線通信IC
閱讀�6198�(shí)間:2011-04-12 17:55:39

  �(wú)線通信IC是用于無(wú)�射頻通信的收�(fā)及數(shù)�/模擬信號(hào)處理�半導(dǎo)�集成電路芯片�(tǒng)�,常�(jiàn)的無(wú)線通信IC材料有硅雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)�(Si Bipolar CMOS)、硅�(SiGe)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦�,如今無(wú)線通信IC�(chǎn)�(yè)已成為半�(dǎo)體產(chǎn)�(yè)未來(lái)�(fā)展的重要支柱�

分類

  一般來(lái)�(shuō),整�(gè)�(wú)線通信IC依功能可以分成三部分:首先為�(fù)�(zé)接收/�(fā)送射頻信�(hào)的射頻IC(Radio Frequency IC),此部分屬于射頻前端,為純粹的模擬電路設(shè)�(jì);其次為�(fù)�(zé)二次�/降頻與調(diào)�/解調(diào)功能的中頻電�(IF IC),以及與鎖相回路(PLL)、頻率合成器(Synthesizer)等組�,目前此段多屬于模擬/�(shù)字的混和模式(mixed mode)的電�;則是負(fù)�(zé)A/D、D/A、信�(hào)處理器及CPU等純�(shù)字部分的基頻IC(Baseband IC)�

材料

  硅組�

  Si BiCMOS為主�

  以硅為基材的集成電路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、與�(jié)合Bipolar與CMOS特性的Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等類。由于硅是當(dāng)前半�(dǎo)體產(chǎn)�(yè)�(yīng)用最為成熟的材料,因�,不論在�(chǎn)量或�(jià)格方面都極具�(yōu)�(shì)。傳�(tǒng)上以硅來(lái)制作的晶體管多采用BJT或CMOS,不�(guò),由于硅材料�(méi)有半絕緣基板,再加上組件本身的增益較低,若要�(yīng)用在高頻段操作的�(wú)線通信IC制�,則需�(jìn)一步提升其高頻電性,除了要改善材料結(jié)�(gòu)�(lái)提高組件的fT,還必須藉助溝槽隔離等制程以提高電路間的隔離度與Q�,如此一�(lái),其制程將會(huì)更為�(fù)�,且不良率與成本也將大幅提高�

  因此,目前多以具有低噪聲、電子移�(dòng)速度快、且集成度高的Si BiCMOS制程為主。而主要的�(yīng)用則以中頻模塊或低層的射頻模塊為�,至于對(duì)于低噪聲放大�、功率放大器與開�(guān)器等射頻前端組件的制造仍力有未逮�

  SiGe制程嶄露頭角

  1980年代IBM為改�(jìn)Si材料而加入Ge,以便增加電子流的速度,減少耗能及改�(jìn)功能,卻意外成功的結(jié)合了Si與Ge。而自98年IBM宣布SiGe邁入量產(chǎn)化階段后,近�、三年來(lái),SiGe已成了最被重視的�(wú)線通信IC制程技�(shù)之一�

  依材料特性來(lái)�,SiGe高頻特性良�,材料安全性佳,導(dǎo)熱性好,而且制程成熟、整合度�,具成本較低之優(yōu)�(shì),換言之,SiGe不但可以直接利用半導(dǎo)體現(xiàn)�200mm晶圓制程,達(dá)到高集成�,據(jù)以創(chuàng)造經(jīng)�(jì)�(guī)�,還有媲美GaAs的高速特性。隨著近�(lái)IDM大廠的投�,SiGe 技�(shù)已逐步在截止頻�(fT)與擊穿電�(Breakdown voltage)�(guò)低等�(wèn)題獲得改善而日趨實(shí)�。目�,這項(xiàng)由IBM所開發(fā)出來(lái)的制程技�(shù)已整合了高效能的SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)3.3V�0.5μm的CMOS技�(shù),可以利用主�(dòng)或被�(dòng)組件,從事模�、RF及混合信�(hào)方面的配置應(yīng)用�

  �(duì)于無(wú)線通信射頻IC�(yīng)用而言,SiGe技�(shù)具有良好的線性度、低噪聲、快速等特�,可適用于手�(jī)射頻前端如LNA、Mixer等。因�,隨著SiGe制程技�(shù)的性能日趨完善,再加上集成度高,使得全球射頻芯片大廠與晶圓代工廠商皆已陸續(xù)投入此一技�(shù)的發(fā)展�

  RF CMOS蓄勢(shì)待發(fā)

  盡管純硅的CMOS制程被認(rèn)為僅適用于數(shù)字功能需求較多的�(shè)�(jì),而不適用于以模擬電路為主的射頻IC�(shè)�(jì),不�(guò)歷經(jīng)十幾年的努力�,隨著CMOS性能的提�、晶圓代工廠�0.25mm以下制程技�(shù)的配�、以及無(wú)線通信芯片整合趨勢(shì)的引�(lǐng)�,RF CMOS制程不僅是學(xué)界研究的熱門課題,也引起了業(yè)界的�(guān)注。采用RF CMOS制程的好�,當(dāng)然是可以將射頻、基頻與存儲(chǔ)器等組件合而為一的高整合�,并同時(shí)降低組件成本。但是癥�(jié)�(diǎn)仍在于RF CMOS是否能解決高噪聲、低絕緣度與Q�、與降低改善性能所增加制程成本等問(wèn)�,才能滿足無(wú)線通信射頻電路�(yán)格的要求�

  目前已采用RF CMOS制作射頻IC的產(chǎn)品多以對(duì)射頻�(guī)格要求較為寬松的Bluetooth與WLAN射頻IC,例如CSR、Oki、Broadcom等Bluetooth芯片廠商皆已推出使用CMOS制造的Bluetooth傳送器;而Atheros、Envara等WLAN芯片廠商也在最近推出全CMOS制程的多模WLAN(.11b/g/a)射頻芯片�。不�(guò),由于手�(jī)用射頻IC�(guī)格非常嚴(yán)�,到目前為止,除了Silicon Labs以數(shù)字技�(shù)�(lái)�(qiáng)化低中頻至基頻濾波器及數(shù)字頻道選擇濾波器功能,以降低CMOS噪聲�(guò)高的�(wèn)題所生產(chǎn)的Aero 低中� GSM/GPRS芯片組外,很�?gòu)S商以此技�(shù)制造手�(jī)射頻IC。再者,由于手機(jī)制造商�(duì)其可靠度的疑慮仍�,故除了韓國(guó)三星電子采用Silicon Labs的Aero射頻芯片組外,幾乎未曾聽(tīng)聞手�(jī)制造廠采用CMOS生產(chǎn)的RF芯片。由此觀之,RF CMOS欲在手機(jī)射頻IC制程中搶占一席之地仍有許多亟待克服的障礙�

  化合物半�(dǎo)體:GaAs

  除了硅制程的芯片之外,以砷化鎵制程所生產(chǎn)的芯片亦早就被大量運(yùn)用在�(wèi)星通信、軍事武器等�(guó)防工�(yè)上,只是其應(yīng)用范圍狹�,且�(chǎn)�(yè)�(jié)�(gòu)較為封閉,以致于市場(chǎng)開拓不易。不�(guò),隨著近年來(lái)�(wú)線通信的發(fā)�,砷化鎵制造的IC逐漸廣為�(yīng)用在�(wú)線通信功率放大組件的制��

  依材料特性來(lái)�,砷化鎵為化合物半導(dǎo)�,由于電子移�(dòng)率約為硅�5.7倍,且高頻使用消耗功率低,故多用于制作功率放大器組件。一般來(lái)�(shuō),砷化鎵在無(wú)線通信射頻前端的應(yīng)用具有高工作頻率、低噪聲、工作溫度適用范圍高、以及能源利用率佳等幾種�(yōu)�(diǎn)�

  在組件種類方�,依晶體管制程結(jié)�(gòu)可分為:金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體�(Metal Semiconductor Field Effect Transistor,MESFET)、假晶高電子遷移率晶體管(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,pHEMT)、異�(zhì)�(jié)雙極晶體�(Heterostructure Bipolar Transistor,HBT)等三類。其中HBT雖然是三者中開發(fā)的技�(shù),但其結(jié)�(gòu)上的�(yōu)�(shì),使信道上的電子流呈垂直方向,可以產(chǎn)生較高的功率密度,且僅需單一電壓,在同樣的輸出功率下,HBT的線性效果優(yōu)于其它晶體管�(jié)�(gòu),正適合目前講求輕薄短小、待�(jī)�(shí)間長(zhǎng)的移�(dòng)電話�

  綜合上述各種�(yīng)用于�(wú)線通信IC制造的半導(dǎo)體材料與制程技�(shù),由于GaAs等制程擁有高工作頻率、低噪聲等優(yōu)�(diǎn),因此在未來(lái)兩三年內(nèi)仍是高速模擬電�,特別是功率放大器的主流制程技�(shù)。不�(guò)GaAs也存在著成本昂貴,且�(wú)法和硅芯片集成的缺點(diǎn)�

  至于在硅制程方面,隨著SiGe制程的崛�,與RF CMOS逐步朝向?qū)嵱没A段邁�(jìn),將影響Si BiCMOS制程目前在射頻IC的主流地�,尤其是SiGe制程技�(shù)將會(huì)日益受到重視。過(guò)去在�(fā)展初�,SiGe由于截止頻率(Cutoff frequency:fT),及其相�(duì)的崩潰電壓過(guò)低,使得SiGe難以�(yīng)用在射頻功率放大器上,相較之下GaAs不但具有高fT,而且其崩潰電壓也�(yuǎn)高于SiGe或Si制程,因此在功率放大�(PA)的應(yīng)用上有極大的�(yōu)�(shì)。但�(jīng)�(guò)短短幾年的改�(jìn),目前的SiGe HBT技�(shù)不僅已被Infineon、RF MD、Conexant等無(wú)線通信IC大廠廣為�(yīng)用在手機(jī)射頻前端如LNA、Mixer等組�,也已發(fā)揮其制程集成能力完成集成RF/IF功能的Transceiver�(chǎn)品,更�(jìn)一步挑�(zhàn)GaAs在PA�(chǎn)品的�(yōu)�(shì)�

  除了上述的制程外,其它逐步�(yīng)用在�(wú)線通信高頻組件的基材還有磷化銦(InP)或GaAs on Si等制�。前者較砷化鎵更適于高頻�(yīng)�,效率更�,組件更�,被�(rèn)為未�(lái)有可能會(huì)取代砷化鎵,只是目前�(jià)格昂�;后者主要由Motorola�(fā)展,�2001�9月宣布成功用于商�(yè)用�,可將GaAs的功率放大器(PA)與Si為主的基頻模塊結(jié)合在一起以降低成本,依�(jù)Motorola的構(gòu)�,砷化鎵與硅�(jié)合實(shí)用化�,最初將先運(yùn)用在輸出功率小于10W的WLAN和手�(jī)等消�(fèi)類產(chǎn)品上。不�(guò)砷化鎵與硅結(jié)�,需要額外的加工工程,制程程序增�,良率會(huì)降低,因此其成本與商�(yè)化�(jìn)程等�(wèn)題仍有待考驗(yàn)�

 

整合趨勢(shì)

  �(gè)別組件的制程技�(shù)�(fā)�

  以手�(jī)射頻IC中最主要的兩大組件收�(fā)器與PA制程為例:在收發(fā)器的制程部分,雖然目前BiCMOS制程仍為市場(chǎng)主力,但近來(lái)廠商也積極發(fā)展RF CMOS與SiGe BiCMOS等制程技�(shù)。根�(jù)Strategy Unlimited的估�(jì),到2004年BiCMOS制程的收�(fā)器芯片的市場(chǎng)占有率將逐步下滑到僅占全�66�,而SiGe制程的收�(fā)器芯片則可成�(zhǎng)�21%的市場(chǎng)占有�,RF CMOS制程的收�(fā)器亦可望占有13%的市場(chǎng)。隨著越�(lái)越多廠商推出SiGe制程的收�(fā)�,再加上代工廠也陸續(xù)切入SiGe制程的代工,未來(lái)�、三年內(nèi)手機(jī)收發(fā)器的制程將以Si BiCMOS 與SiGe BiCMOS制程為主��

  在手�(jī)的PA部分,由于GaAs材料特性的�(yōu)�(shì),故仍將主導(dǎo)手機(jī)PA制程市場(chǎng),至于SiGe則在不斷改善制程技�(shù)�,將有機(jī)�(huì)侵蝕�(guò)去GaAs�(dú)占的PA市場(chǎng)。Strategy Unlimited便預(yù)估,�2004年全球GaAs制程的PA芯片市場(chǎng)占有率將下滑到僅�68�,而CMOS與SiGe制程的PA芯片則將分別成長(zhǎng)�13%與18%的市�(chǎng)占有�(�(jiàn)�4)。不�(guò),若以目前發(fā)展看�(lái),推出SiGe制程PA的廠商仍屬少�(shù),再加上�(rèn)證與�(shè)�(jì)的時(shí)�,到2004年SiGe PA仍不易有高成�(zhǎng),未�(lái)三年手機(jī)PA的制程未�(lái)仍將以GaAs制程為發(fā)展主流�

  就未�(lái)�(fā)展高集成�(integration level) RF IC芯片組而言,由于Si-CMOS、SiGe電路的重�(fù)性與一致性較GaAs制程�,且單位面積的電路密度高,就電路的集成度、易�(chǎn)性及成本,目前商用RF IC以CMOS、SiGe制程具備較佳的競(jìng)�(zhēng)�。若從�(gè)別組件的�(fā)展來(lái)看,SiGe制程將成為PA與Switch等射頻前端組件在GaAs制程外的另一種選�;而收�(fā)器與LNA等組件則將出�(xiàn)SiGe與CMOS搶占Si BiCMOS制程市場(chǎng)的局��

  逐步邁向SoC

  射頻電路組件�(yīng)用在移動(dòng)電話等各式無(wú)線通信�(shè)備上,除考慮成本與性能�,更需力求其體積的微小化與采用的方便性。因�,為使所研發(fā)的產(chǎn)品更符合市場(chǎng)趨勢(shì)與需求,射頻組件制造商紛紛朝向更高整合度與集成度邁�(jìn),藉以提供下游廠商更佳的�(yīng)用便利性。從TI、Infineon等國(guó)際芯片大廠所�(guī)劃的技�(shù)�(lán)圖來(lái)看,2003-2004年將逐步�(fā)展成PA模塊、射頻單芯片、基頻芯片等三顆芯片或芯片模�,至于集成射頻與基頻的SoC則到2005年以后才有可能實(shí)�(xiàn)。至于臺(tái)灣省廠商方面,自今年起威盛與�(lián)�(fā)科相繼宣布積極投入后,也已加快國(guó)�(nèi)廠商朝向手機(jī)�(guān)鍵零組件SoC的腳��

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