砷化鎵器件優(yōu)勢和劣勢

砷化鎵一直是推動無線技術(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，包括可變增益放大器（VGA）、數(shù)字步進(jìn)衰減器（DSA）、開關(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業(yè)的技術(shù)，砷化鎵的應(yīng)用相對局限于純模擬功能。如果把數(shù)字電路包括在一起通常需要在層疊基板設(shè)計一個多芯模塊，這種結(jié)構(gòu)非常昂貴，并可導(dǎo)致潮濕敏感度退化，從而需要特殊的儲存和處理?xiàng)l件?；谏榛壍哪K通常具有MSL3靈敏度等級，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，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，簡化熱管理和散熱設(shè)計的要求。

此外，GaAs器件具有相對較低的抗靜電放電（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典型的裝配區(qū)域可能發(fā)生低級別ESD事件損壞，類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電感和電阻等外部無源元件，這些元件會占用額外的空間，并增大方案的復(fù)雜性。

圖1：基站無線電方框圖可表明哪些以及如何用硅器件來取代砷化鎵（藍(lán)色），以便在高性能射頻設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更好的可靠性、集成度和成本

砷化鎵開關(guān)中的柵極遲滯

針對高數(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晶體管在完成開關(guān)后盡快穩(wěn)定下來，以便滿足時間關(guān)鍵的性能要求或保持信號的完整性。穩(wěn)定時間受與開關(guān)相關(guān)聯(lián)的柵極遲滯的影響。開關(guān)接通所產(chǎn)生的柵極遲滯可以被認(rèn)為是在10-90%上升時間完成點(diǎn)與開關(guān)完全穩(wěn)定點(diǎn)之間的開關(guān)電阻的差值，典型地看，這是97.5%和100%導(dǎo)通時之間的差值。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%時的時間差值。

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)必須在開始傳輸之前等待該穩(wěn)定時間。長的穩(wěn)定時間可能會限制該系統(tǒng)的速度和靈活性，并且還可能在生產(chǎn)場合延長測試時間。

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）線性度會勝過這些不足。然而，隨著當(dāng)今新技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢逐漸克服傳統(tǒng)的局限，硅器件已經(jīng)是GaAs較強(qiáng)的競爭對手，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。這些新的硅基開關(guān)在溫度高達(dá)+120℃時仍具有卓越的性能（0.4dB插入損耗，+65dBm IP3，60dB隔離度）。

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類似于IDT F1240等新一代硅中頻（IF）可變增益放大器通過集成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，F(xiàn)latNoise技術(shù)可確保噪聲系數(shù)保持很低（圖2b）。而過去，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，同時仍然保持非常高的線性度。


線性度是最近在硅器件中得到顯著改善的另一個重要參數(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?？傮w而言，提高VGA的線性度和帶寬使設(shè)計師在實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)時具有更高的靈活性。


IDT公司通過開發(fā)Glitch-Free（無干擾）技術(shù)還克服了一個影響數(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時出現(xiàn)的瞬態(tài)過沖。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需要很長的時間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，這可降低時域雙工（TDD）系統(tǒng)的處理性能（turnaround performance）。通過近乎消除這種過沖，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)。


結(jié)語

砷化鎵放大器和開關(guān)以其高線性度和良好噪聲特性的優(yōu)勢逐漸成為高性能射頻設(shè)備設(shè)計的首選，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)致市場對砷化鎵先入為主。而近日硅基器件的重要性又重新被人們所認(rèn)識，利用新技術(shù)對硅基器件的噪聲性能和線性度進(jìn)行了改進(jìn)，未來或?qū)⑷〈榛壱参纯芍?br />
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