采用CMOS工藝的射頻設(shè)計(jì)研究

近年來，有關(guān)將CMOS工藝在射頻（RF）技術(shù)中應(yīng)用的可能性的研究大量增多。深亞微米技術(shù)允許CMOS電路的工作頻率超過1GHz，這無疑推動(dòng)了集成CMOS射頻電路的發(fā)展。目前，幾個(gè)研究組已利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝開發(fā)出高性能的下變頻器、低相位噪聲壓控振蕩器（VCO）和雙模數(shù)預(yù)分頻器（prescaler）。這些研究表明，在無須增加額外器件或進(jìn)行調(diào)整的條件下，可以設(shè)計(jì)出完全集成的接收器和VCO電路。低噪聲放大器、上行轉(zhuǎn)換器、合成器和功率放大器的深入研究，將可能設(shè)計(jì)出電信應(yīng)用的完全集成收發(fā)器CMOS 射頻電路。

無線通信及其應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展，很大程度上得益于無線通信中的數(shù)字編碼和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入。數(shù)字技術(shù)發(fā)展是高性能低成本CMOS技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，因?yàn)镃MOS技術(shù)使得在單塊裸片上集成大量的數(shù)字功能成為可能。這樣，利用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)、復(fù)雜的解調(diào)算法，以及高質(zhì)量的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾錯(cuò)系統(tǒng)，其結(jié)果是產(chǎn)生了高性能無損耗的數(shù)字通信信道。

目前，數(shù)字技術(shù)發(fā)展以及無線市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)已經(jīng)極大地改變了模擬收發(fā)器前端設(shè)備。前端設(shè)備是天線與無線收發(fā)器的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器之間的接口，前端設(shè)備必須檢測(cè)頻率高達(dá)1GHz至2GHz微伏級(jí)的微弱信號(hào)。同時(shí)，還必須以相同的高頻率發(fā)射功率在2W左右的信號(hào)。因此，這需要能在天線和A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號(hào)處理之間轉(zhuǎn)換頻帶的高性能模擬電路，如濾波器、放大器和混頻器。低成本和低功耗要求使得模擬前端設(shè)備成為未來射頻設(shè)計(jì)的瓶頸，集成度的進(jìn)一步提高將顯著降低裸片大小、成本和功耗。在過去幾年中，已經(jīng)提出了許多進(jìn)一步增強(qiáng)接收器、發(fā)送器和合成器集成度的不同技術(shù)。

在進(jìn)一步提升集成度的同時(shí)，研究人員也力圖采用CMOS工藝集成射頻電路。雖然CMOS技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)字電路的集成，但如果能在高性能模擬電路中應(yīng)用CMOS技術(shù)，將使性能得到很大提高，其優(yōu)勢(shì)將更為明顯：可在單塊芯片上集成完整的收發(fā)器系統(tǒng)，即同一裸片上既集成模擬前端器件，又集成數(shù)字解調(diào)器。這種需求只能利用CMOS或BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)，BiCMOS工藝能提高模擬設(shè)計(jì)的性能，但成本也相應(yīng)提高，這不僅因?yàn)閱挝幻娣e的成本增加，而且需要為數(shù)字電路部分預(yù)留更大的芯片空間。隨著在CMOS工藝上的投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出雙極性器件，普通CMOS工藝將逐步消除BiCMOS器件與采用深亞微米CMOS工藝的NMOS器件，甚至消除采用相同BiCMOS工藝的NMOS器件之間的性能差異。NMOS器件的ft參數(shù)將逐漸接近NPN器件的ft。

盡管多年前就展開了一些有關(guān)采用CMOS工藝的射頻設(shè)計(jì)研究，但直到最近幾年人們才真正關(guān)注實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的可能性。目前，業(yè)界有幾個(gè)研究組正從事該主題的研究。由于雙極性器件固有的特性優(yōu)于CMOS器件，因此一些研究人員認(rèn)為射頻CMOS只適用于具有較低性能標(biāo)準(zhǔn)，如ISM等低性能系統(tǒng)，或者可以通過改進(jìn)CMOS工藝，如蝕刻電感器下面的基底來提高其性能。射頻CMOS技術(shù)將可能采用普通的深亞微米工藝對(duì)高性能應(yīng)用，如GSM、DECT和DCS1800中的收發(fā)器進(jìn)行完全集成。

CMOS技術(shù)

出于對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高以及實(shí)現(xiàn)更高集成度DSP電路的考慮，亞微米技術(shù)目前已被視為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)甚至向深亞微米技術(shù)發(fā)展，如規(guī)格為0.1微米或更小的晶體管。而Ft接近100GHz的晶體管最近也出現(xiàn)在0.1微米的深亞微米工藝中。

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然而，晶體管中的寄生電容，包括柵極-漏極交迭電容（gate-drain overlap capacitance）和漏極-體結(jié)電容（drain-bulk junction capacitance）延緩了深亞微米技術(shù)的發(fā)展。圖1比較了不同技術(shù)的ft和fmax值，這清晰地說明了上述結(jié)論。與ft相比，fmax更為重要，因?yàn)閒max反映了實(shí)際配置中晶體管的速率極限。如圖中所示，雖然ft快速增加，但對(duì)于實(shí)際的電路設(shè)計(jì)（fmax），速度的提高卻并不大。
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最后，在最近的集成CMOS射頻電路中很清晰地看到，不僅CMOS技術(shù)本身成為了制約因素，封裝也同樣如此。由于射頻信號(hào)最終將來源于芯片，而且由于射頻天線信號(hào)必須進(jìn)入芯片，因此任何與ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)相連的PCB、封裝引腳寄生電容將極大地影響，或使射頻信號(hào)惡化。
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接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

超外差（heterodyne）或中頻接收器是最常用的接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在中頻接收器中，期望信號(hào)將下變頻到相對(duì)較高的中頻頻率。采用高質(zhì)量的無源帶通濾波器可防止鏡像信號(hào)在中頻頻率上與期望信號(hào)發(fā)生交迭。通過利用中頻接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)采用多個(gè)中頻級(jí)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)極高的接收器性能。
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