射频前端芯片深度分析（射频CMOS工艺技术的发展现状）

固态半导体技术自20世纪70年代以来一直被用于毫米波应用中。 所用的底物材料是砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和磷酸铟(InP)。 建立在这些基板上的电路能够实现高频和大的输出功率。 然而，随着硅工艺技术的不断进步，很明显，这是实现射频电路的更便宜的选择。 硅锗(SiGe)工艺是一个适用于允许使用双极结晶体管的高频电路的硅工艺的例子。 最近的微型机电系统(MEMS)工艺技术成为模拟电路所需要的高质量的器件工艺技术。 然而，为了真正利用硅技术，应该采用纯数字CMOS技术，而不需要针对射频应用进行特定的修改。 纯数字CMOS技术是指建立存储器和逻辑等数字电路的标准工艺技术。 这样做的关键驱动因素是在系统中模拟数字集成所导致的系统成本的降低，因此我们需要记住降低成本是使用硅芯片技术实现射频功能的首要驱动力。

图1、CMOS工艺射频特性的发展史

使用CMOS的挑战使得这种技术直到最近才被用于毫米波设计中的。 首个商用MOS晶体管的最小尺寸约为25μm，电流单位增益过渡频率fT有限。 在千兆赫兹（GHz）频率范围内用这种晶体管实现放大是不可能的，因为工作频率只能是fT的一小部分t。 最近的技术发展使得CMOS技术具有先进工艺技术节点降至32nm以下。 Sub-100nm技术节点允许fT达到150GHz及以上的值。 这使得设计CMOS电路以毫米波频率工作成为可能。 图2显示了增加的CMOS 的fT逐步超过了InP和SiGe。 这一目标是由持续改进CMOS工艺的承诺来驱动实现的。

然而，使用先进的CMOS工艺技术有一些相关的困难。 工艺缩放要求要求使用较低的供电电压Vdd，这限制了需要电压叠加的传统电路拓扑的应用。 需要新的电路技术来克服这个问题。 其他主要问题包括由于器件分辨率更高而导致的工艺波动，这将降低传统差分电路拓扑中的匹配电路的要求，以及满足密度要求而导致的所需的芯片复杂度增加 。

目前半导体射频设计的研究大致分为两类。 其中之一是制造技术的改进。 这包括选择材料，加强加工步骤和提供更好的器件建模表征。 数字CMOS工艺的分辨率小于100nm，其中新材料可以为薄栅介质提供所需要的高介电常数，这种技术业界目前正在研究中。 纯数字CMOS工艺的替代品包括具有射频选项的CMOS工艺，如高电阻率衬底和厚金属，而这种工艺是以引入更高的制造成本为代价的。另一个研究领域是芯片设计技术，这是我们将要介绍的重点。 在这些工作中，重点是在纯数字CMOS工艺技术上实现毫米波电路。 划分这两种工艺的潜力已经被认识到，因此，商业设计公司独立发芽成长，不需要自己的芯片铸造厂，而仅仅专注于电路设计问题。 因此，在一项工艺技术的限制范围内工作以优化它而不是旨在改变它是有用的和相关的。 然而，人们也会认识到，芯片制造技术一直在根据摩尔定律的某种形式发生变化，而且几乎肯定会继续这样进行下去的。 但是，在现有的最先进的工艺的限制下，也许在接下来的两代工艺中，我们引入并开发了一些特定的设计， 这些设计基于基本的物理限制，并将持续保持最小的变化。

芯片设计包括设计光刻掩模的物理布局。 需要大量的掩模来实现电路元件，如电感、传输线和晶体管。 为了正确设计掩模布局，在不同的约束条件下进行了电路仿真。 这些约束是系统的电气要求，如所需的输出功率、线性、带宽、比特率（即传输速率）等。 在模拟电路中，无源器件的设计，包括电感、电容、电阻和传输线，直接取决于掩模布局的约束。 因此，必须同时考虑布局约束和电路约束。 另一个主要的电路限制是功耗的限制。 这种限制不断降低，以便在电池寿命有限的便携式设备中使用这些电路。

图2、数字消费电子产品的高清晰度发展趋势

图3、宽带高速数据传输

便携式设备可以实现为毫米波系统，在高频下工作，其中大带宽可用于高数据传输。图2说明了家庭电子设备使用高数据速率的更高清晰度视频应用的要求。 他们可以分享手机和录像机中的高清视频和照片。 在目前的移动手机中，W-CDMA的数据速度不超过10Mbps，802.11无线局域网的数据速度不超过54Mbps；而如图3中显示，使用毫米波频段，如在60GHz频段7GHz宽带的链路，数据速率超过1Gbps是可以实现的。 同时，这种器件的数字功能可以与相同硅片上的射频模拟功能集成在一起。