三分鐘讓你上手：非接觸式射頻感應(yīng)IC卡讀卡原理

射頻，通常指包括高頻、甚高頻和超高頻，其頻率在3 MHz-10 000 MHz ，是無(wú)線通信領(lǐng)域最為活躍的頻段。在最近十幾年里，無(wú)線通信技術(shù)得到了飛躍式的發(fā)展，射頻器件快速的代替了使用分立半導(dǎo)體器件的混合電路，這些技術(shù)都是對(duì)設(shè)計(jì)者的挑戰(zhàn)。

RFIC（射頻集成電路）是90年代中期以來(lái)隨著IC工藝改進(jìn)而出現(xiàn)的一種新型器件。RFIC的技術(shù)基礎(chǔ)主要包括：1）工作頻率更高、尺寸更小的新器件研究；2）專用高頻、高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)；3）專用測(cè)試技術(shù)；4）高頻封裝技術(shù)。本文將從IC技術(shù)的角度對(duì)該領(lǐng)域近期出現(xiàn)的一些新動(dòng)向進(jìn)行簡(jiǎn)要的綜述和分析。

CMOS出現(xiàn)之初速度較慢，RF電路多采用雙極型器件。然而隨著半導(dǎo)體工藝以摩爾定律飛速進(jìn)步，MOS管的溝道長(zhǎng)度大大縮小，其工作速度大為提高，功耗也大大下降，成為RFIC的一種經(jīng)濟(jì)性很好的平臺(tái)。例如，Intel今年發(fā)布了CMOS Wi-Fi RFIC。 目前隨著各芯片制造跨入90nm時(shí)代，CMOS電路已經(jīng)可以工作在40GHz以上，甚至達(dá)到100GHz。這一進(jìn)步可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)率在100Mbit/s到1Gbit/s的無(wú)線通信芯片，服務(wù)于寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)和高數(shù)據(jù)率交換裝置，如無(wú)線高速USB2.0接口。

目前，Tiebout等人已報(bào)道了集成有LNA和混頻器、PLL的RFIC樣品，針對(duì)17.1GHz到17.3GHz的ISM頻段應(yīng)用；Tiebout還報(bào)道了注入閉鎖分頻器樣品，其工作頻率已經(jīng)高達(dá)40GHz。CMOS技術(shù)的進(jìn)步為低成本RFIC向高頻段發(fā)展提供了可能，可以大大降低微波波段的RF裝置的成本，因此該技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)上微波頻段占據(jù)統(tǒng)治地位的GaAs技術(shù)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

化合物半導(dǎo)體方面，GaAs是目前的技術(shù)主流，但進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導(dǎo)體，如GaN、AIN、InN等，受到了人們的關(guān)注。這些材料的電子飽和速度很高，工作頻率可以到亞毫米波和準(zhǔn)光波、光波頻段，可望用于需要大功率、高速、高溫工作的應(yīng)用。另外，SiC也是一種耐高溫和可承受大功率的半導(dǎo)體材料。目前，這些化會(huì)物半導(dǎo)體材料在單晶襯底制備、加工工藝等方面存在一定的困難，一般以單個(gè)器件為主，相應(yīng)的IC在成本上與硅基CMOS工藝相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。預(yù)計(jì)在今年和明年初，相應(yīng)的加工技術(shù)將獲得大的突破，屆時(shí)將進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。SiGe材料是近年來(lái)廣受重視的材料，它的出現(xiàn)使得人們可以將在化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件中廣泛運(yùn)用的能帶工程理論運(yùn)用于硅基器件。在硅雙極晶體管和MOS工藝基礎(chǔ)上通過(guò)將常規(guī)Si基區(qū)用GeSi合金應(yīng)變層替代等辦法可以制成SiGe HBT（異質(zhì)結(jié)晶體管）和應(yīng)變溝道PMOSFET等，其工藝成本低，且與現(xiàn)有工藝兼容性好。SiGeHBT主要得益于SiGe/Si異質(zhì)結(jié)價(jià)帶邊的失配，器件的電流增益與SiGe/Si價(jià)帶邊差呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，這樣基區(qū)可以有很高的摻雜濃度，器件的噪聲系數(shù)相應(yīng)得以降低。此外，也由于帶邊效應(yīng)，電流增益具有負(fù)溫度系數(shù)，對(duì)電流增益有自抑制作用，器件工作相對(duì)穩(wěn)定，具有優(yōu)良的熱性能和功率性能。目前，SiGe HBT的fT超過(guò)200GHz，2GHz下噪聲系數(shù)小于0.5dB，不但可用于移動(dòng)通信，并完全可滿足局域網(wǎng)和光纖通信的要求。SiGe技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾乎所有的無(wú)線通信單一功能電路，其最佳的應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)線通信手機(jī)（特別是3G手機(jī)）的射頻前端芯片及功率放大器模塊，其它應(yīng)用領(lǐng)域包括無(wú)線接入、衛(wèi)星通信、GPS定位導(dǎo)航、有線通信（千兆以太網(wǎng)、SONET/SDH等）、汽車?yán)走_(dá)、智能電子收費(fèi)系統(tǒng)乃至軍事通信。SiGe的崛起將大大改變傳統(tǒng)的Si、GaAs的市場(chǎng)分劃。預(yù)計(jì)2005年SiGe RFIC將達(dá)19億美元。另外，利用InP材料也可以制成HBT。IBM公司是SiGe技術(shù)的主要開拓者，它為Alcatel、Intersil、Nortel等許多公司提供SiGe芯片制造服務(wù)，還與Siemens、RF MicroDevices等公司聯(lián)合開發(fā)SiGe芯片。其主流工藝技術(shù)是在8英寸晶圓片上工業(yè)化的SiGeBiCMOS 5HP工藝。其它擁有SiGe HBT技術(shù)的公司有Freescale、Maxim、Lucent、ST、Infineon、Philips等。

集成度的變革―RF SoC

SoC（系統(tǒng)芯片）是近幾年國(guó)際半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)，也是未來(lái)半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展方向。 隨著IC工藝達(dá)到并跨越90nm節(jié)點(diǎn)，芯片上單個(gè)MOS器件的工作頻率已經(jīng)可以上升到微波、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(lái)制成RF SoC。這一新概念產(chǎn)品將大大減少整個(gè)通信系統(tǒng)中的器件數(shù)量，從而降低產(chǎn)品成本，減小其體積并提高功能度，同時(shí)提高可靠性。這一技術(shù)的推廣有望引起產(chǎn)業(yè)鏈的變革。目前Agilent、IBM、STMicroelectronic、Frees cale等公司都在研發(fā)RF SoC產(chǎn)品，有望于明年投放市場(chǎng)。RF SoC的工藝平臺(tái)可以是CMOS、SiGe等。目前在試驗(yàn)室中已經(jīng)可以用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫米波電路。如果進(jìn)一步采用SOI（Sion-Insulator，絕緣體硅）、SoN（Sion-Nothing，懸空硅）等新型襯底技術(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作，而且射頻部分與基帶部分的串?dāng)_小，另外，設(shè)計(jì)者可以將nMOSFET與SiGe HBT通過(guò)BiCMOS工藝平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，利用兩種的高速性能，實(shí)現(xiàn)低壓、低功率的30-80GHz范圍內(nèi)的毫米波芯片。目前該技術(shù)已經(jīng)推出了樣品。RF SoC在商業(yè)上的成功與普通SoC一樣，取決于是否能保證很短的轉(zhuǎn)向時(shí)間、很低的成本和很好的IP或設(shè)計(jì)庫(kù)復(fù)用。

新設(shè)計(jì)技術(shù)

與其他IC一樣，RFIC設(shè)計(jì)在商業(yè)上的成敗在于其設(shè)計(jì)周期和上市時(shí)間。因此，研發(fā)者選用的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工具，應(yīng)該保證設(shè)計(jì)的優(yōu)化和可測(cè)性、可靠性，并減少甚至消除流片驗(yàn)證的必要。設(shè)計(jì)軟件必須包括Top-Down（自頂向下）的各層次的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證模塊，而且能讓設(shè)計(jì)者在各個(gè)流程和模塊之間自由交換設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的同步更新，直到最后簽發(fā)設(shè)計(jì)文件為止；設(shè)計(jì)軟件還應(yīng)該與測(cè)試系統(tǒng)接口，以便利用測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)修正原有的設(shè)計(jì)。

目前有代表性的設(shè)計(jì)軟件包括：Agilent的ADS，Applied Wave Research公司的Microwave Office和Analog Office等軟件工具。它們一般具有友好的設(shè)計(jì)界面，靈活、開放的架構(gòu)，具有從綜合到版圖設(shè)計(jì)等不同層次的設(shè)計(jì)模塊，支持第3方設(shè)計(jì)、測(cè)試軟件，帶有使用方便的物理設(shè)計(jì)工具和模型提取工具。

其中Ansoft公司推出了具有數(shù)據(jù)輸入和可視化功能以及時(shí)間、頻率、混合模式仿真的Ansoft Designer。在系統(tǒng)級(jí)仿真時(shí)，除了其射頻與DSP元件庫(kù)以外，Ansoft Designer支持編譯型和解釋型C和C＋＋用戶自定義模型的聯(lián)合仿真，以及Mathworks公司的Matlab聯(lián)合仿真。電路仿真求解包括為獲得非線性噪聲、瞬態(tài)、數(shù)字調(diào)制、非線性穩(wěn)定性以及負(fù)載與信源拉升而進(jìn)行的分析。它還具有適用于濾波器和傳輸線的設(shè)計(jì)綜合功能。該產(chǎn)品包括一個(gè)布局與制造模塊以及一個(gè)3D平面電磁仿真引擎。

不過(guò)，RFIC在本質(zhì)上是模擬的，其設(shè)計(jì)往往必需充分利用有源/無(wú)源器件的性能，目前仍受到器件模型不準(zhǔn)確、噪聲和非線性等問(wèn)題的困擾，目前這些軟件要能像數(shù)字電路仿真軟件那樣具有極高的仿真效率，還有較長(zhǎng)的一段路要走。

隨著RF SoC概念日益走向應(yīng)用，設(shè)計(jì)者也將越來(lái)越多地面對(duì)RF、模擬和數(shù)字混合信號(hào)電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題。在頻率域中對(duì)數(shù)字電路塊的仿真是毫無(wú)意義的，模擬部分的設(shè)計(jì)也不同于射頻部分，因此各種設(shè)計(jì)方法之間常常會(huì)不匹配。設(shè)計(jì)師幾乎總是在時(shí)間域中進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)，而在頻率域中進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)（為了提高仿真速度）。把兩種類型的設(shè)計(jì)集成在同一塊芯片上，可能意味著整個(gè)芯片的仿真時(shí)間會(huì)拉長(zhǎng)到不現(xiàn)實(shí)的地步。在模擬電路設(shè)計(jì)中，現(xiàn)在人們已經(jīng)努力實(shí)現(xiàn)了某種程度的Top-Down綜合能力和IP的復(fù)用，但在射頻部分的設(shè)計(jì)中，人們?nèi)匀灰苑治鰹橹鳎疫@種分析必須包括有源和無(wú)源器件，要實(shí)現(xiàn)RF設(shè)計(jì)的綜合似乎還遙遙無(wú)期。設(shè)計(jì)者們需要一種能同時(shí)處理高速數(shù)字電路、模擬電路和RF電路的工具。

RF SoC是一個(gè)小系統(tǒng)，人們必須從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)觀察和分析，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到數(shù)字、模擬和RF電路集成到單塊襯底上帶來(lái)的問(wèn)題，包括：集成天線和無(wú)源器件的仿真和參數(shù)提取，VCO的牽引問(wèn)題，襯底的建模和信號(hào)通過(guò)襯底的耦合，快速的系統(tǒng)級(jí)仿真等。上述關(guān)于RF SoC的問(wèn)題將是下一步RF IC電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的飛速發(fā)展，電磁仿真的速度、可以處理的問(wèn)題的規(guī)模以及計(jì)算精度也不斷得到提高。因此未來(lái)基于CEM（計(jì)算電磁學(xué)）的仿真方法也將日益滲透到RF IC的設(shè)計(jì)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(shí)體結(jié)構(gòu)（特別是連接器、平面?zhèn)鬏斁€、不連續(xù)點(diǎn)和無(wú)源元件）的電磁特性的獲得。它們的運(yùn)用將是RF IC精度提高的根本保證，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Agilent Momentum（一種基于矩量法的2.5D仿真技術(shù)），生成片上無(wú)源元件和互連線路的基于電磁場(chǎng)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(jìn)行通常的轉(zhuǎn)換來(lái)近似集總元件模型，從而使無(wú)線和高速有線設(shè)備獲得更高的精確度。Momentum電磁建模和驗(yàn)證功能也是現(xiàn)有阻容提取工具的一種協(xié)作工具。它有助于關(guān)鍵的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)獲得所需的建模精確度，而這些網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的故障可能會(huì)損害整個(gè)流程的運(yùn)行。明年或者后年將很有可能出現(xiàn)能對(duì)各種RF模塊中任意功能單元的無(wú)源部分進(jìn)行仿真的CAD軟件。