【導(dǎo)讀】如今硅器件技術(shù)已經(jīng)有所改進(jìn)，再加上優(yōu)化的設(shè)計(jì)，注定了硅器件能夠在高性能射頻和系統(tǒng)中取代砷化鎵器件。在半導(dǎo)體器件快速發(fā)展的今天，工程師會(huì)在設(shè)計(jì)射頻微波電路時(shí)自動(dòng)選擇砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管，因其噪聲系數(shù)和線性度較之硅器件要更加優(yōu)良。應(yīng)用中硅器件注定要被砷化鎵取代，是否已成定局？
砷化鎵器件優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)
砷化鎵一直是推動(dòng)無(wú)線技術(shù)革新的關(guān)鍵技術(shù)，它可提供超越當(dāng)代硅器件的低噪聲指數(shù)和高線性度。由于噪聲系數(shù)和線性度是決定總失真的主要因素，而總失真由一些關(guān)鍵功能所引入，包括可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）、數(shù)字步進(jìn)衰減器（DSA）、開(kāi)關(guān)、混頻器和調(diào)制器等，GaAs器件通常是那些需要最好信令性能應(yīng)用的默認(rèn)選擇。
作為一種比傳統(tǒng)基于硅的制造工藝更專(zhuān)業(yè)的技術(shù)，砷化鎵的應(yīng)用相對(duì)局限于純模擬功能。如果把數(shù)字電路包括在一起通常需要在層疊基板設(shè)計(jì)一個(gè)多芯模塊，這種結(jié)構(gòu)非常昂貴，并可導(dǎo)致潮濕敏感度退化，從而需要特殊的儲(chǔ)存和處理?xiàng)l件?；谏榛壍哪K通常具有MSL3靈敏度等級(jí)，因此必須在密封后一周內(nèi)用掉，以保證吸收的潮濕不至于損壞器件從而導(dǎo)致早期失效?；诠璧钠骷ǔＪ菃涡酒訯FN封裝實(shí)現(xiàn)，具有較低的靈敏度MSL1等級(jí)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的卷軸運(yùn)輸，不需要特殊的處理流程。
相比基于GaAs的層疊模塊，QFN封裝的硅器件也受益于更低的熱阻，這有助于實(shí)現(xiàn)更高可靠性，簡(jiǎn)化熱管理和散熱設(shè)計(jì)的要求。
此外，GaAs器件具有相對(duì)較低的抗靜電放電（ESD）能力，通常僅能承受500V的人體靜電放電（HBM）域值，而相比之下硅器件可承受2kV。因此，GaAs器件可以很容易地被一個(gè)典型的裝配區(qū)域可能發(fā)生低級(jí)別ESD事件損壞，類(lèi)似的硅器件則不需要特別嚴(yán)格的防靜電保護(hù)措施。
絕緣體上硅片（SOI）開(kāi)關(guān)也通常具有優(yōu)良的RON x COFF，因此表現(xiàn)出較低的插入損耗，同時(shí)還允許更大的隔離度。
最后，包含有GaAs器件的電路一般都需要依賴(lài)電感和電阻等外部無(wú)源元件，這些元件會(huì)占用額外的空間，并增大方案的復(fù)雜性。
砷化鎵開(kāi)關(guān)中的柵極遲滯
針對(duì)高數(shù)據(jù)速率3G和4G通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備以及其他的工業(yè)系統(tǒng)，需要RF晶體管在完成開(kāi)關(guān)后盡快穩(wěn)定下來(lái)，以便滿(mǎn)足時(shí)間關(guān)鍵的性能要求或保持信號(hào)的完整性。穩(wěn)定時(shí)間受與開(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的柵極遲滯的影響。開(kāi)關(guān)接通所產(chǎn)生的柵極遲滯可以被認(rèn)為是在10-90%上升時(shí)間完成點(diǎn)與開(kāi)關(guān)完全穩(wěn)定點(diǎn)之間的開(kāi)關(guān)電阻的差值，典型地看，這是97.5%和100%導(dǎo)通時(shí)之間的差值。柵極遲滯也可以看作是器件的RF功率輸出在90%振幅和完全穩(wěn)定到100%時(shí)的時(shí)間差值。
眾所周知，GaAs器件有明顯的柵極遲滯，在低工作環(huán)境溫度下尤其顯著，它可以限制系統(tǒng)的性能。高速通信系統(tǒng)必須在開(kāi)始傳輸之前等待該穩(wěn)定時(shí)間。長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間可能會(huì)限制該系統(tǒng)的速度和靈活性，并且還可能在生產(chǎn)場(chǎng)合延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間。
硅器件彌補(bǔ)性能差距
盡管砷化鎵有上述公認(rèn)的缺點(diǎn)，但與硅器件相比其卓越的噪聲系數(shù)和三階截?。↖P3）線性度會(huì)勝過(guò)這些不足。然而，隨著當(dāng)今新技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)逐漸克服傳統(tǒng)的局限，硅器件已經(jīng)是GaAs較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，可以提供更經(jīng)濟(jì)和更可靠的解決方案。
IDT公司的F2912等新一代RF開(kāi)關(guān)采用SOI技術(shù)，可以在或靠近PA裝配線的非常高的溫度環(huán)境下可靠地工作。這些新的硅基開(kāi)關(guān)在溫度高達(dá)+120℃時(shí)仍具有卓越的性能（0.4dB插入損耗，+65dBm IP3，60dB隔離度）。
圖2a：高可靠性SOI開(kāi)關(guān)性能（F2912）
[page] 類(lèi)似于IDT F1240等新一代硅中頻（IF）可變?cè)鲆娣糯笃魍ㄟ^(guò)集成FlatNoise 技術(shù)已經(jīng)使信噪比（SNR）實(shí)現(xiàn)了突破性改進(jìn)。 即使在增益降低時(shí)，F(xiàn)latNoise技術(shù)可確保噪聲系數(shù)保持很低（圖2b）。而過(guò)去，伴隨著增益每1dB的降低，工程師就不得不接受1dB噪聲系數(shù)的降低。其結(jié)果是，該系統(tǒng)的SNR可以實(shí)現(xiàn)最多2dB的改善，同時(shí)仍然保持非常高的線性度。
圖2b：FlatNoise技術(shù)對(duì)于中頻VGA噪聲指數(shù)的影響（F1240）
線性度是最近在硅器件中得到顯著改善的另一個(gè)重要參數(shù)。 IDT公司的F0480硅基RF VGA采用了全新的Zero-DistortionTM（零失真）技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大于40dBm的OIP3，2000MHz帶寬，以及在只有100 mA靜態(tài)電流下的23dB調(diào)整范圍。總體而言，提高VGA的線性度和帶寬使設(shè)計(jì)師在實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)時(shí)具有更高的靈活性。
圖2c：采用Zero-Distortion技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全新寬帶硅RF VGA (F0480)
IDT公司通過(guò)開(kāi)發(fā)Glitch-Free（無(wú)干擾）技術(shù)還克服了一個(gè)影響數(shù)字步進(jìn)衰減器的重要缺陷。Glitch-Free技術(shù)降低了眾所周知發(fā)生在MSB態(tài)從10dB轉(zhuǎn)變到0.5dB時(shí)出現(xiàn)的瞬態(tài)過(guò)沖。在發(fā)射器等精密電平設(shè)置環(huán)境下，該技術(shù)可確保增益平滑地過(guò)渡到相鄰的設(shè)置。從歷史經(jīng)驗(yàn)看，較大的10dB干擾（glitch）已經(jīng)能夠損害下游的功率放大器。此外，傳統(tǒng)的DSA需要很長(zhǎng)的時(shí)間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，這可降低時(shí)域雙工（TDD）系統(tǒng)的處理性能（turnaround performance）。通過(guò)近乎消除這種過(guò)沖，Glitch-Free技術(shù)顯著提高了系統(tǒng)的可靠性，并允許實(shí)現(xiàn)更靈活的TDD系統(tǒng)。
圖2d：采用Glitch-Free技術(shù)實(shí)現(xiàn)的絕緣體上硅片DSA（F1950）
結(jié)語(yǔ)
砷化鎵放大器和開(kāi)關(guān)以其高線性度和良好噪聲特性的優(yōu)勢(shì)逐漸成為高性能射頻設(shè)備設(shè)計(jì)的首選，這是毋庸置疑的。而硅器件雖然在可靠性、成本、集成度方面有出色的表現(xiàn)，但較之砷化鎵還是差強(qiáng)人意，從而導(dǎo)致市場(chǎng)對(duì)砷化鎵先入為主。而近日硅基器件的重要性又重新被人們所認(rèn)識(shí)，利用新技術(shù)對(duì)硅基器件的噪聲性能和線性度進(jìn)行了改進(jìn)，未來(lái)或?qū)⑷〈榛壱参纯芍?br />
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