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RFIC
阅读:1197时间:2018-06-08 17:08:59

RFIC(射频集成电路)是90年代中期以来随着IC工艺改进而出现的一种新型器件。
射频通常指包括高频、甚高频和超高频,其频率在300KHz-300GHz,是无线通信领域最为活跃的频段。二十世纪后,无线通信技术得到了飞跃式的发展,射频器件快速的代替了使用分立半导体器件的混合电路,这些技术都是对设计者的挑战。

技术基础

  RFIC的技术基础主要包括:
  1)工作频率更高、尺寸更小的新器件研究;
  2)专用高频、高速电路设计技术;
  3)专用测试技术;
  4)高频封装技术。本文将从IC技术的角度对该领域21世纪初出现的一些新动向进行简要的综述和分析。

变革

  SoC(系统芯片)是近几年国际半导体业发展的热点,也是未来半导体业发展方向。 随着IC工艺达到并跨越90nm节点,芯片上单个MOS器件的工作频率已经可以上升到微波、毫米波频段,因此,可以将RF前端与数字基带部分集成起来制成RF SoC。这一新概念产品将大大减少整个通信系统中的器件数量,从而降低产品成本,减小其体积并提高功能度,同时提高可靠性。这一技术的推广有望引起产业链的变革。21世纪Agilent、IBM、STMicroelectronic、Frees cale等公司都在研发RF SoC产品,有望于2013年投放市场。 RF SoC的工艺平台可以是CMOS、SiGe等。21世纪时,在试验室中已经可以用CMOS技术实现毫米波电路。如果进一步采用SOI(Sion-Insulator,绝缘体硅)、SoN(Sion-Nothing,悬空硅)等新型衬底技术,则由于这些衬底中带有高电阻的埋氧层,可保证射频损耗小和器件的高速工作,而且射频部分与基带部分的串扰小,另外,设计者可以将nMOSFET与SiGe HBT通过BiCMOS工艺平台结合起来,利用两种的高速性能,实现低压、低功率的30-80GHz范围内的毫米波芯片。21世纪该技术已经推出了样品。RF SoC在商业上的成功与普通SoC一样,取决于是否能保证很短的转向时间、很低的成本和很好的IP或设计库复用。

新技术

  与其他IC一样,RFIC设计在商业上的成败在于其设计周期和上市时间。因此,研发者选用的设计与验证工具,应该保证设计的优化和可测性、可靠性,并减少甚至消除流片验证的必要。设计软件必须包括Top-Down(自顶向下)的各层次的设计与验证模块,而且能让设计者在各个流程和模块之间自由交换设计数据和仿真结果,协调设计数据的同步更新,直到最后签发设计文件为止;设计软件还应该与测试系统接口,以便利用测试数据来修正原有的设计。目前有代表性的设计软件包括:Agilent的ADS,AppliedWaveResearch公司的MicrowaveOffice和AnalogOffice等软件工具。它们一般具有友好的设计界面,灵活、开放的架构,具有从综合到版图设计等不同层次的设计模块,支持第3方设计、测试软件,带有使用方便的物理设计工具和模型提取工具。其中Ansoft公司推出了具有数据输入和可视化功能以及时间、频率、混合模式仿真的AnsoftDesigner。在系统级仿真时,除了其射频与DSP元件库以外,AnsoftDesigner支持编译型和解释型C和C++用户自定义模型的联合仿真,以及Mathworks公司的Matlab联合仿真。电路仿真求解包括为获得非线性噪声、瞬态、数字调制、非线性稳定性以及负载与信源拉升而进行的分析。它还具有适用于滤波器和传输线的设计综合功能。该产品包括一个布局与制造模块以及一个3D平面电磁仿真引擎。不过,RFIC在本质上是模拟的,其设计往往必需充分利用有源/无源器件的性能,21世纪时仍受到器件模型不准确、噪声和非线性等问题的困扰,21世纪时这些软件要能像数字电路仿真软件那样具有极高的仿真效率,还有较长的一段路要走。随着RFSoC概念日益走向应用,设计者也将越来越多地面对RF、模拟和数字混合信号电路的设计问题。在频率域中对数字电路块的仿真是毫无意义的,模拟部分的设计也不同于射频部分,因此各种设计方法之间常常会不匹配。设计师几乎总是在时间域中进行数字设计,而在频率域中进行射频设计(为了提高仿真速度)。把两种类型的设计集成在同一块芯片上,可能意味着整个芯片的仿真时间会拉长到不现实的地步。在模拟电路设计中,21世纪时人们已经努力实现了某种程度的Top-Down综合能力和IP的复用,但在射频部分的设计中,人们仍然以分析为主,而且这种分析必须包括有源和无源器件,要实现RF设计的综合似乎还遥遥无期。设计者们需要一种能同时处理高速数字电路、模拟电路和RF电路的工具。RFSoC是一个小系统,人们必须从系统的观点来观察和分析,因此在设计时,必须考虑到数字、模拟和RF电路集成到单块衬底上带来的问题,包括:集成天线和无源器件的仿真和参数提取,VCO的牵引问题,衬底的建模和信号通过衬底的耦合,快速的系统级仿真等。上述关于RFSoC的问题将是下一步RFIC电路设计的重点和难点。随着计算机计算能力的飞速发展,电磁仿真的速度、可以处理的问题的规模以及计算精度也不断得到提高。因此未来基于CEM(计算电磁学)的仿真方法也将日益渗透到RFIC的设计中,各种全波仿真方法(如矩量法和有限元方法)从物理上保证电路实体结构(特别是连接器、平面传输线、不连续点和无源元件)的电磁特性的获得。它们的运用将是RFIC精度提高的根本保证,各CAD工具厂商已经在努力将基于CEM的方法融入RFIC仿真中。用户还可以使用AgilentMomentum(一种基于矩量法的2.5D仿真技术),生成片上无源元件和互连线路的基于电磁场的精确模型。你可以直接在Cadence电路原理图中仿真这些基于电磁波的模型,而不必进行通常的转换来近似集总元件模型,从而使无线和高速有线设备获得更高的精确度。Momentum电磁建模和验证功能也是现有阻容提取工具的一种协作工具。它有助于关键的设计网络获得所需的建模精确度,而这些网络出现的故障可能会损害整个流程的运行。2013年后将很有可能出现能对各种RF模块中任意功能单元的无源部分进行仿真的CAD软件。

MEMS

  MEMS(微机电系统)是指将传感器、执行器和控制电路集成在芯片上的微型机电系统。21世纪基于该技术的各种传感器和检测芯片已经成熟。在RF领域中,MEMS麦克风、指纹识别等微型传感器已经或者即将用于手机、PDA等移动数码装置。MEMS还可以直接处理RF信号,制作出RF芯片或者在RF芯片上加工出某些无源器件结构,这些器件和结构被称为RFMEMS,它们将是RFIC未来发展的一种重要方向。21世纪RFMEMS可以在RFIC衬底上制造电感、可调电容、开关、移相器、机电谐振器、可调谐滤波器等,这些无源器件的射频损耗远远小于常规RFIC(从低频直到40GHz,其射频插损均小于0.1dB),直流功耗小,非线性小,参数调节范围宽,Q值高。这些器件还可以与RF有源器件集成在一个衬底上,极大地提高电路的整体性能和集成度,在很多方面对传统的分立的和片上的射频无源器件构成了挑战。
  21世纪MEMtronics等公司已经推出了性能优良、可靠性好的开关、移相器等产品,它们可望用于相控阵、智能局域网天线等场合。可以预计,在不远的将来,RFMEMS器件将渗透到各种RFIC中,成为RFIC的一个有机组成部分,大大提高其性能,是一种不可忽视的技术。

测试技术

  RFSOC的出现,意味着在更小的空间内将安排更多的电路和配置更多的引脚。多引脚器件要求更多的测试通道来保持足够的速度和吞吐量,同时还要求在有限的生产空间内提高测试系统密度。这些因素推动了测试技术向其极限发展。此外,为了避免不合格产品成为减少生产成本的沉重负担,制造商转而采用更多的预先测试,以便在生产过程中尽早淘汰掉不合格的部件。但令人遗憾的是,生产线上使用的“大机柜式”功能测试系统通常并非是在生产初期进行部件和射频电路的设计技术。工程师们正在把射频电路与模拟及数字电路集成在一起。一方面Gbit/s的数据速率正在使数字电路像微波电路那样工作。不断推出而且日益复杂的无线通信标准,如Wi-Fi802.11a/b/g、超宽带和蓝牙标准,都要求设计师去评估其设计对系统整体性能的影响。另一方面,各种信号在各引脚上可能会混合在一起传输,而且各引脚间的信号将通过衬底等发生串扰,带来噪声方面的问题。因此,今后只有那些综合具备了RF、模拟、数字、嵌入式存储和扫描能力而且能与片上探针台接口的ATE(自动测试设备)才是各厂商的首选。能提供此类设备的厂商有Agilent、Teradyne、LTX和Credence等。另外还需要考虑的是片上探针台的结构和品质,以及校准的方便与否。
  此外,测试工作应该与设计工作很好地结合起来,作为反馈介入设计流程。AgilentConnectionMananer与各种RFDE无线测试基准一起使用,以便把数据从RFDE下载到测试仪器,所以,设计师可以在开发周期的较早时候进行系统验证。这将是未来测试系统、软件的重要的发展方向。
  在RF事业飞速发展的今天,RFIC技术正不断取得若干令人瞩目的、可喜的进展,各种无线电装置也早已脱下了过去笨重的外壳,而变得“更小、更快、更强”。RFIC的研发与测试工程师认真关注着这些发展动向,努力跟上技术的潮流并推动技术的进步。正是他们的努力,使得RF技术呈现千帆竞渡的宏伟景象,保证我们能够不断享受到信息社会中越来越方便的种种信息服务。

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