CMOS應(yīng)用有多廣泛?大牛帶你看CMOS在射頻領(lǐng)域的現(xiàn)狀
CMOS是非常重要的組件,那么就目前而言,CMOS的發(fā)展現(xiàn)狀究竟如何呢?如果大家對(duì)CMOS的研究較多,就會(huì)發(fā)現(xiàn)CMOS在很多領(lǐng)域內(nèi)都有所應(yīng)用。為增進(jìn)大家對(duì)CMOS的認(rèn)識(shí),本文將和大家一起看看CMOS工藝在射頻范疇的設(shè)計(jì)研究。如果你對(duì)CMOS具有興趣,不妨繼續(xù)往下閱讀哦。
近年來,有關(guān)將CMOS工藝在射頻(RF)技術(shù)中應(yīng)用的可能性的研究大量增多。深亞微米技術(shù)允許CMOS電路的工作頻率超過1GHz,這無疑推動(dòng)了集成CMOS射頻電路的發(fā)展。目前,幾個(gè)研究組已利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝開發(fā)出高性能的下變頻器、低相位噪聲壓控振蕩器(VCO)和雙模數(shù)預(yù)分頻器(prescaler)。這些研究表明,在無須增加額外器件或進(jìn)行調(diào)整的條件下,可以設(shè)計(jì)出完全集成的接收器和VCO電路。低噪聲放大器、上行轉(zhuǎn)換器、合成器和功率放大器的深入研究,將可能設(shè)計(jì)出電信應(yīng)用的完全集成收發(fā)器CMOS 射頻電路。
無線通信及其應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展,很大程度上得益于無線通信中的數(shù)字編碼和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入。數(shù)字技術(shù)發(fā)展是高性能低成本CMOS技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,因?yàn)镃MOS技術(shù)使得在單塊裸片上集成大量的數(shù)字功能成為可能。這樣,利用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)、復(fù)雜的解調(diào)算法,以及高質(zhì)量的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾錯(cuò)系統(tǒng),其結(jié)果是產(chǎn)生了高性能無損耗的數(shù)字通信信道。
目前,數(shù)字技術(shù)發(fā)展以及無線市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)已經(jīng)極大地改變了模擬收發(fā)器前端設(shè)備。前端設(shè)備是天線與無線收發(fā)器的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器之間的接口,前端設(shè)備必須檢測(cè)頻率高達(dá)1GHz至2GHz微伏級(jí)的微弱信號(hào)。同時(shí),還必須以相同的高頻率發(fā)射功率在2W左右的信號(hào)。因此,這需要能在天線和A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號(hào)處理之間轉(zhuǎn)換頻帶的高性能模擬電路,如濾波器、放大器和混頻器。低成本和低功耗要求使得模擬前端設(shè)備成為未來射頻設(shè)計(jì)的瓶頸,集成度的進(jìn)一步提高將顯著降低裸片大小、成本和功耗。在過去幾年中,已經(jīng)提出了許多進(jìn)一步增強(qiáng)接收器、發(fā)送器和合成器集成度的不同技術(shù)。
在進(jìn)一步提升集成度的同時(shí),研究人員也力圖采用CMOS工藝集成射頻電路。雖然CMOS技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)字電路的集成,但如果能在高性能模擬電路中應(yīng)用CMOS技術(shù),將使性能得到很大提高,其優(yōu)勢(shì)將更為明顯:可在單塊芯片上集成完整的收發(fā)器系統(tǒng),即同一裸片上既集成模擬前端器件,又集成數(shù)字解調(diào)器。這種需求只能利用CMOS或BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn),BiCMOS工藝能提高模擬設(shè)計(jì)的性能,但成本也相應(yīng)提高,這不僅因?yàn)閱挝幻娣e的成本增加,而且需要為數(shù)字電路部分預(yù)留更大的芯片空間。隨著在CMOS工藝上的投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出雙極性器件,普通CMOS工藝將逐步消除BiCMOS器件與采用深亞微米CMOS工藝的NMOS器件,甚至消除采用相同BiCMOS工藝的NMOS器件之間的性能差異。NMOS器件的ft參數(shù)將逐漸接近NPN器件的ft。
盡管多年前就展開了一些有關(guān)采用CMOS工藝的射頻設(shè)計(jì)研究,但直到最近幾年人們才真正關(guān)注實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的可能性。目前,業(yè)界有幾個(gè)研究組正從事該主題的研究。由于雙極性器件固有的特性優(yōu)于CMOS器件,因此一些研究人員認(rèn)為射頻CMOS只適用于具有較低性能標(biāo)準(zhǔn),如ISM等低性能系統(tǒng),或者可以通過改進(jìn)CMOS工藝,如蝕刻電感器下面的基底來提高其性能。射頻CMOS技術(shù)將可能采用普通的深亞微米工藝對(duì)高性能應(yīng)用,如GSM、DECT和DCS1800中的收發(fā)器進(jìn)行完全集成。
出于對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高以及實(shí)現(xiàn)更高集成度DSP電路的考慮,亞微米技術(shù)目前已被視為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)甚至向深亞微米技術(shù)發(fā)展,如規(guī)格為0.1微米或更小的晶體管。而Ft接近100GHz的晶體管最近也出現(xiàn)在0.1微米的深亞微米工藝中。
然而,晶體管中的寄生電容,包括柵極-漏極交迭電容(gate-drain overlap capacitance)和漏極-體結(jié)電容(drain-bulk juncTIon capacitance)延緩了深亞微米技術(shù)的發(fā)展。與ft相比,fmax更為重要,因?yàn)閒max反映了實(shí)際配置中晶體管的速率極限。如圖中所示,雖然ft快速增加,但對(duì)于實(shí)際的電路設(shè)計(jì)(fmax),速度的提高卻并不大。
最后,在最近的集成CMOS射頻電路中很清晰地看到,不僅CMOS技術(shù)本身成為了制約因素,封裝也同樣如此。由于射頻信號(hào)最終將來源于芯片,而且由于射頻天線信號(hào)必須進(jìn)入芯片,因此任何與ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)相連的PCB、封裝引腳寄生電容將極大地影響,或使射頻信號(hào)惡化。
超外差(heterodyne)或中頻接收器是最常用的接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在中頻接收器中,期望信號(hào)將下變頻到相對(duì)較高的中頻頻率。采用高質(zhì)量的無源帶通濾波器可防止鏡像信號(hào)在中頻頻率上與期望信號(hào)發(fā)生交迭。通過利用中頻接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),尤其是當(dāng)采用多個(gè)中頻級(jí)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)極高的接收器性能。
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