1、关于 RFIC 技术现状和发展综述Xxx【摘要】无线通信技术的迅猛发展带动了信息产业的整体发展，作为无线传输设备核心器件的射频集成电路（RFIC）不断朝着高性能、高集成度、低功耗和低成本方向发展。CMOS 工艺有着先天的优势：高集成度(与基带、数字信号处理模块工艺兼容)、低成本，而且CMOS 随着特征尺寸的缩小，射频性能不断提高，高精度的射频器件模型及RFIC 设计成为当前的研究热点。近十年来，射频无线移动通信技术的发展显得尤为迅猛。其中起决定作用之一的技术就是RFIC技术。随着第三代移动通信体制的开始，对新一代无线通信射频集成电路（RFIC）的性能、材料和工艺等都提出了新的技术要求。本文总结
2、了无线通信移动终端RFIC的发展历程和现状，对关键技术进行了探讨,，最后展望了未来的发展前景。【关键词】射频集成电路，CMOS,发展，现状，工艺，材料Status and development of technology on RFICOverviewTao Wen 200808030324Beijing Union University Institute of information Department of Communication Engineering【Abstract】Wireless communication technology driven the rapid dev
3、elopment of information industry whole development, as wireless transmission equipment core device of radio frequency integrated circuit ( RFIC ) toward high performance, high integration, low power consumption and low cost development. CMOS technology has advantage of high integration degree: ( wit
4、h a baseband, digital signal processing module processes compatible ), low cost, and CMOS as the feature size shrinks, RF continuously improve performance, high precision of the RF device model and RFIC design has become a research hotspot.Come nearly ten years, wireless mobile communication technol
5、ogy development is swift and violent. Which plays a decisive role in one of the technology is RFIC technology. With the third generation mobile communication system to start, on a new generation of wireless communication RF integrated circuit ( RFIC ) performance, materials and process are put forwa
6、rd new requirements. This article summarizes the wireless communication mobile terminal RFIC development course and the present situation, the key technologies are discussed, finally, forecasts the future development foreground.【Key words】 radio frequency integrated circuit, CMOS, development, curre
7、nt situation, technology, material引言：射频集成电路(RF IC，radio frequency integrated circuits)在近十年内得到广泛重视，并在无线通信领域取得快速发展。如今，基带和中频带电路已经完全可以用CMOS工艺集成，但在射频收发端还有一定的困难。由于CMOS的低成本和高集成度，CMOS集成电路在无线通信领域1 GHz到2GHz频段受到关注，也是目前单片集成研究的热点。射频技术在当今各个领域得到广泛应用，如：蜂窝式个人通信网(PCI,0、无线局域网(WLAN)、无线接入系统、无线互连(包括Bluetooth)、全球卫星定位系统(GP
8、S)、低轨道卫星移动通信和多媒体移动接入通信系统(MMAC)等等。此外还在智能交通系统(ITS)、雷达等方面得到应用。巨大的市场需求促使世界发达国家及相关大公司投巨资竟相研发适应社会需求的无线通信系统。无线终端的微型化、低功耗、低成本、高性能是未来通信技术发展的新趋势，而整个无线通信系统的单片集成是适应这一趋势的必然选择，因此单片集成无线终端已成为当今无线通信系统研究开发的热点。本文总结了无线通信移动终端RFIC的发展历程和现状，对关键技术进行了探讨,，最后展望了未来的发展前景。正文近年来，通信技术以惊人的速度发展，而射频(RF)无线通信技术的发展显得尤为迅猛。当今，射频无线通信技术已经被广泛
9、应用于生活的各个方面，如：蜂窝式个人通信与机站、无线接入系统、卫星通信、全球卫星定位系统、无线局域网等。随着多种无线通讯系统的蓬勃发展，使无线通讯系统中的关键模块射频集成电路(RFIC)成为当前的研究热点。射频IC的优化设计，除了数字IC所要求的功耗、速度、产量外，还必须考虑系统部件的噪声、增益、线性度、最大功率传输等因素。同时，由于激烈的市场竞争，通讯系统对射频IC的要求也越来越高，低成本、低功耗、高线性度、多功能等已经成为射频集成电路发展的趋势。21世纪是信息技术高度发展的时代，以微电子为基础的电子技术是推动信息技术发展的物质基础。集成电路是微电子的核心和主体，也是电子信息产业的基础。一
10、发展历史和现状：21世纪是信息技术高度发展的时代，以微电子为基础的电子技术是推动信息技术发展的物质基础。集成电路是微电子的核心和主体，是电子信息产业的基础。1.1.无线移动通信发展对RFIC的要求 射频移动通信技术的总趋势是： 高速化、大带宽。第一代和第二代手机使用5V电源电压，而第三代则使用3V 至 2V或甚至更低的电源电压。必须能实现长时间通话和待机，因此，低成本、低功耗、重量轻和小型化是未来RFIC发展的技术关键。从技术上讲，应实现高性能高线性度、低噪声、高增益和高效率。从工艺实现上讲，可采用有: CMOS,BiCMOS,GaAsFET,HBT and PHEMT.第三代移动通信终端 R
11、FIC:1.2. RFIC器件材料、工艺技术 A. SiGe工艺极低的噪声性能 高的截止频率高，低的生产成本。 由于SiGe HBT的优异性能，SiGe器件有望取代GaAs RF器件。SiGe器件用于无线手机，使电源功率、性能、集成度和低成本溶于一体。 B.CMOS工艺技术 C.GaAs工艺技术GaAs性能上的优势，历史基础好，但制造成本高（主要是材料较贵）。 D.HBT器件GaAs HBT是一种改进的双极晶体管，只需单一的正电源就可工作； 而GaAs MESFET和GaAs PHEMT则需双电源工作。1.3RFIC发展趋势 高度集成 减小体积 降低电源电压 降低成本 1.4.RFIC的现状
12、在RF领域中，性能、工艺的要求要比数字集成电路本身复杂得多。其中，功耗、速度、成品率是最主要的参数 由于印刷电路工艺的不断完善和单片集成度的提高，这些性能不可避免地得到提高。同时，RF IC还要考虑到噪声(宽带和窄带)、线性度、增益和功效。这样，应用于RF IC中的优化器件一直在不断完善和发展。当前，RF设计者在1 2 GHz的频段主要的选择有：Si CMOS，BiCMOS，GaAs MESFET，SiSiGe HBT (hetero junction bipolar transistor)，BJT 和PHEM T (pseudomorphic high electron mobility t
13、ransistor)。因为混合器件的高Q值，在RF收发高频部分，为达到高集成度和高性能，常采用混合器件组成完整的系统。RFIC 发展的理想选择是CMOS单片集成，这样将显著地降低成本并提高系统集成度。如同DSP(digital signal processor)最终实现单片CMOS集成一样，预计高集成度的单片CMOS射频电路也将在不久的将来实现。二.移动通信中射频集成电路（RFIC）的晶体管技术在移动通信初期.通用技术是硅双极CMOS.硅双极晶体管(Si BJT)和砷化稼场效应晶体管(GaAs MESFET)。尤其是GaAs MESFET.由于其优良的噪声、增益和功率性能业己独占前端或射频单片
14、微波集成电路(MMIC)应用。近年来随着工作频率的提高(频谱过分拥挤和对更高性能的需求).开始追踪其它晶体管技术.开始研究GAAs异质结双极晶体管(HBT)和高电子迁移率晶体管(HEMT).更吸引人的技术如Inp基晶体管也开始探索不同晶体管技术性能比较当今用于移动通信系统的GaAs IC大部分是MESFET.己成为低噪声和功率放大器的主要微波固态器件.并目仍是MMIC的最重要工艺。MESFET的栅长是关键参数.它愈短.最高工作频率愈高。标准的MESFET工艺给出0. 5um栅长.与其对应的最高工作频率约为18GHz.更高性能工艺给出栅长0. 2Um.其对应的频率增加到25 GHz左右。耗尽型M
15、ESFET(最通用的型式)的缺点是为了控制栅极必须附加一个负的栅偏压.囚此为了器件正常工作.需要两个独立的电源.与MESFET相比.在性能和成本上都上一台阶的是屑配高电子迁移率晶体管(PHEMT.该工艺技术传统上用在毫米波段(30-V300 GH2.与采用同质结的常规器件不同.MESFET有一个异质结.由两种不同性质材料如AlGaAd、和GaAs构成结.这种结构的传输机理与MESFET 相比.给出更高的电子迁移率和更高的工作频率。PHEMT的主要优势是其可工作在较低的电源电压(小于3 V).而MESFET需要 4V或更高。与PHEMT类似的一种异质结器件砷化稼异质结双极晶体管(GaAs HBT
16、).作为MESFET技术的另一个挑战者正在吸引大量的注意HBT是一种改进的双极晶体管.其发射区和基区是由不同带隙的半导体构成.发射区具有宽带隙材料.这种发射极结构提供一势垒.挡空穴注入基区.而有利于电子的注入由于在发射极采用宽带隙材料HBT基区层掺杂浓度可非常高.从而维持高的电源增益.在GaAs HBT中基区薄层电阻仅200 SZ/巨.比典型的SIBJT差夯考翻据一个数量级容许大的图形尺寸;CaAs半绝缘衬底消除了收集极一衬底电容该电容在电路中是对延迟时间常数的主要贡献.导致的增益带宽较低另外.GaAs的电子迁移率8500 cm-/V一比Si的1500 cm-/V “ s高得多.允许GaAs
17、HIS“I在低的Vce(小于1V)达到高的F.这有利于低电压、小功率电路li用。然而SJBJT为了达到高的F.则需要几伏的V 因此本质上GaAs HBT是一种超负载双极晶体管。由于HBT是双极工艺.器件可以在单一正电源电压卜工作.无需象M I:SFI:“I和YHI:M“I“那样需要双电源工作。HBT的另一个优点是它具有纵向结构.电流从发射极到收集极垂直流过HY“I“.而不象M ESFET横向流动。纵向电流流动维持高的功率密度.囚此HBT“是比M ESFET更为有效的功率放大器件.三.CMOS关键技术3.1.RFIC 系统这是第一代数字蜂窝标准，它是一个典型的PCS实例。其它的PCS标准包括IS
18、一95、GSM 和DCS一1800。通过它可以了解一些RF的基本模块结构。它的发射端RF频段为824849 MHz，接收端的频段为869 894 MHz。在整个系统中，接收端面临极大的挑战，因为信号载波频率为880 MHz，而信号带宽本身只有30 kHz。这就要求RF接收端要能够从其它竞争信号和干扰中将有用信号提取出来，它们的比值小于10_。考虑到单元尺寸、传输功率、带宽，接收端的典型噪声为3 dB或者更低。LNA(1ow noise amplifier)主要影响接收端的整体噪声系数。发射端功率放大器PA要求能够达到23 dBm，尽管设计时功放的最大峰值是30 dBm或者更高。减d,iZ3 d
19、Bm主要是为了保证系统要求达到的线性。另一个高Q值的带通滤波器应用于输出端，以满足射频输出对FCC的要求。在27 V 电源供电的情况下，系统载波的寄生特性通常要求在60 dB以下，以保持功率放大器达到理想的高增益、高线性和在完全带宽和输出功率范围内的高功效低相位噪声的压控振荡器(VCO)决定着变频器的性能。由于系统信道带宽只有30 kHz，VCO 的相位噪声成为关键参数。低噪声放大器，功率放大器，压控振荡器和双向开关是RF IC中最关键的几个基本单元。3.2 基于CMOS工艺的RF关键模块单元的发展状况 A. 低噪声放大器低噪声放大器(LNA)是RF系统前端的关键单元之 ，它决定着接收端系统的
20、整体噪声系数。为了与GaAs和双极工艺竞争，CMOS LNA的低功耗(约10 mw)和低噪声系数(约2 dB)必须等于或者优于前者。当然，在标准的CMOS数字电路中，同时要求尽可能少的额外无源器件。但在CMOS LNA 中，低功耗和低噪声系数很难同时满足。CMOS LNA 中常使用输入、输出匹配网络以减小功耗。在035 m 工艺下，功耗为09 mw 时，CMOS LNA 的噪声系数可以达到18 dBt 。目前，在08 m CMOS工艺基础上实现的CMOS LNA，可以在附加一个外部电感和输入输出电阻为5O Q时取得好的特性4。它采用单级放大器拓扑电感负反馈，单级拓扑可以减小功耗和提高P d 和
21、IP3的特性。单级放大器可以改进反转隔离和减小Miller效应。同时，使用电感负反馈有利于获得输入和噪声的同步匹配。此时，LNA 的噪声系数在62 mw 时为2 dB，81 mw 时为178 dB，132 mw 时为15dB，3O mw 时为12 dB。在3O mw 和 等于30 V时，LNA 的功率增益为145 dB，此时，IIP3为一1dBm。在62 mw 和 等于27 V 时，LNA 的功率增益为94 dB，此时，IIP3为一38 dBm。B. 功率放大器按电流通角划分功率放大器(PA)，有A、B、C三种工作状态。A 类放大器的流通角为360。，B类放大器的流通角为18O。，C 类放大器
22、的流通角小于18O。，A类放大器适用于小信号低功率放大，B、C类都适用于大功率。三种放大器中，以C类的输出功率和效率为最高，而PA 的线性度依次下降。后又有工作在开关状态的D、E类放大器。E类放大器的效率理论上可达到100 ，但由于开关转换瞬间所产生的器件功耗的限制而很难达到。功率放大器的主要参数有线性度、漏极效率和附加效率。线性度受IP3、相邻信道功率、ldB压缩点和非线性失真的限制。漏极效率定义为附加效率为de式中，P r，lJ 为RF输入功率，Pr， 为RF输出功率，P 为直流功率。PA作为RF的重要单元，电路要求同时满足线性度、增益、输出功率和功效的要求。但由于电源电压的下降(5 V到
23、3 V 或者更低)导致的阻抗匹配的限制，PA很难保证要求的输出功率和功效。综合各种要求，C类在A、B、C三类PA 中较为均衡，因此成为首选。目前，RF 系统中PA 在06 m N 阱三层金属CMOS工艺上设计优化口 ，它的输入输出匹配网络中使用第三层金属螺旋电感，在3 V 和85 mw 下，900 MHz C类放大器的漏极效率是55 。C. 压控振荡器压控振荡器(VCO)是RF电路设计者面对的最具挑战性的单元之一。理想的VCO输出在一定的频段内是不存在相位噪声的，并且它不随温度、输出负载、电源电压的波动而改变。实际上，这是很难实现的。由振荡器的电感所决定的振荡器品质因子影响着压控振荡器的相位噪
24、声，Leeson提出了一个与试验结果相符的很好的描述振荡器的相位噪声简单表达式，后来，Scherer发展了Leeson的表达式来描述闪烁噪声。低噪声振荡器需要较大的输出放大和低噪声放大，以获得最好特性，因此，在品质因子Q 很难显著提高的情况下，为满足一定功耗，VCO 的相位噪声需要得到显著的改善。目前，06 m CMOS工艺上实现的LC VCO 在20 GHz，偏频100 kHz，直流功耗22 mw 下，其相位噪声可达到一103 dBcHz L6 。D.开关高特性的微波开关是在大多数TDD输入系统中的一个关键模块，因为在输入输出模块之间它们的表现极为重要。通常，微波开关是由高质量的二极管实现的
25、。然而，由于所需要的控制电流较大，目前在手持设备中，开关主要是由GaAs FET 实现的，这主要是由于它的低直流功耗。当传输功率电平超过+30 dBm，开关处于3 V或更低的电源电压下时，其中主要的矛盾就更为尖锐。在“开”态保持线性和在“关”态保持隔离是主要的两个问题。结隔离si工艺在此面临较大的困难，主要是因为开关输入在较大的功率偏移时，它要受衬偏结二极管的影响。在开关这一特殊应用器件中，绝缘衬底(如GaAs和CMOSSOS)半导体IC工艺比体硅工艺有较明显的优势。目前，在05 mCMOS工艺中，30 V 时，双向开关在928 MHz下介入损耗达到07 dB，P aB达到17 dBm，而隔离
26、可达到42 dB。它具有较低的介入损耗主要是通过优化偏压和最小化衬底电阻，直流偏置发送和接收点在提高P1db把时减小电容结束语现在基于CMOS的射频集成电路已广泛的用于无线移动网络中并且不断地发展。 目前，GaAs和双极工艺是射频收发端采用的主要技术，但从IC设计发展趋势来看，潜在的低成本和单片集成会使CMOS应用于12 GHz RFIC，并成为主导技术。为使性能良好、成本低的RF单片集成芯片应用于无线通信产品中，IC设计者还需要不断地进行研究和探索。参考文献1 Larson L EIntegrated circuit technology options for RFICs Present
27、Status and Future Directions JIEEE J Sol Sta Circ1998 ；33(3) ： 3873992 Qiuting Huang, et al. The Impact of Scaling Down to Deep Submicron on CMOS RF Circuits J. IEEEJSSC, 1998, 33: 1023-1036.3 Wei Gao, Chao Jiao, Tao Liu, and Zhiping Yu, “Scalable Compact Circuit Model for Differential Spiral Transformers in CMOS RFICs ”, IEEE Transactions On Electron Devices, Vol. 53, No. 9, p. 2187,September 2006.4 徐世六, 范麟, 郭树田等. 世界RFIC 发展趋势与中国RFIC 发展思考J.微电子学报, 2006.8, 36(5):533-5395王子字，张肇义，徐承和等译射频电路设计一理论与应用北京电子工业出版社20026陈邦媛射频通信电路，北京科学出版社2002
