基于SiGe BiCMOS 工艺的高速开关芯片设计文献综述

 2022-09-27 02:09

  1. 文献综述(或调研报告):

近年来,高集成度的低成本电路推动了BiCMOS 技术在射频电路中的应用与发展。积极的技术扩展和带隙工程硅锗(SiGe)技术的集成使硅基RF集成电路的性能得到显着改善,从而提供了超过III-V技术的成本优势[1]。RF开关对于任何雷达或无线收发器的操作至关重要。除了发送/接收功能外,RF开关还可用于典型RF前端的数字增益控制和相位状态选择。技术扩展和布局优化使CMOS RF开关的插入损耗得以降低。硅和硅锗(SiGe)等低成本平台很有可能在这些潜在的大批量市场中发挥作用。 随着32-nm CMOS达到420/390 GHz[2]和130-nm SiGe达到300/500 GHz[3],基于硅的技术现在可以在毫米波频率下提供足够的性能,同时实现低成本大规模生产。

SiGe BiCMOS技术中接近1瓦的X波段功率放大器(PA)已经被论证演示过[4],从而突出了对高功率处理硅RF开关的需求。由于解决方案已经可用于在单个芯片上集成平衡 - 不平衡转换器和高功率功率放大器,因此高功率和高线性度T / R开关成为最后一个需要集成在芯片上以提供最大功率的外部元件(不包括晶体振荡器) 经济高效的系统级解决方案。

大多数报告的高性能开关都是使用基于III-V半导体的工艺设计的。然而,由于CMOS和BiCMOS技术由于其低成本和高集成能力而缩小并用于许多RF集成系统,因此它们已经成为高速,低损耗和高隔离开关的最佳选择。

文献[5]中研究了SiGe HBT字单级单掷射频开关中的反模式工作,该开关具有高线性度和高功率处理等特点,通过将基极-发射极结与基极-集电极结交换进行开关,获得了X波段频率下SiGe BiCMOS开关的极高线性度,同时也保持了相当的插入损耗。 SiGe HBT用作串联开关元件,而pFET用于将电路上拉至OFF状态。当开关接通时,开关结(BE为正向模式,BC为 反向模式是正向偏置的,并且电流在正向模式(反向模式)操作中从集电极(发射极)流入发射极(集电极)。 该设计中基极 - 集电极结用作开关二极管,而不是传统的基极发射极结。该开关可以用于实现在同一技术平台中设计的功率放大器的集成。

文献[6]通过一种基于理论和设计方程的方法优化了用于毫米波的双极晶体管开关。文中基于详细的理论分析开发了开关优化程序,然后用于设计多个开关变体。这些开关采用IBM的90纳米9HP技术,该技术采用SiGe HBT,峰值fT / fmax为300/350 GHz。使用反向饱和配置,在去嵌入焊盘损耗后,在94 GHz时实现了单极双掷开关,其插入损耗测量值为1.05 dB,隔离度为22 dB。该开关从1.1 V电源吸收5.2 mA电流,将功耗限制在6 mW以下。分析开关速度,发现模拟的导通和关断时间小于200 ps。还引入了一种技术,可显着提高饱和SiGe开关的功率处理能力,直至输入参考的1 dB压缩点为22 dBm。并且研究了RF应力对这种新型配置的影响,并且在48小时内的初始测量显示出很小的性能下降。这些结果表明,基于SiGe的开关可为毫米波系统提供显着的益处。文章最后还描述了使用变压器的替代开关,减小了电路面积。

文献[7]介绍了利用硅锗(SiGe)异质结双极晶体管开关的射频单刀单掷开关,分析了基于p-n-p的RF开关的相对特性,制造并比较了基于n-p-n的开关。就SET瞬态峰值和持续时间而言,p-n-p SiGe HBT RF开关表现出SET灵敏度的显着降低。在频域中,p-n-p开关显示出比n-p-n开关更少的低频杂散。此外,反模式p-n-p SiGe HBT开关在所有研究的RF SPST开关中提供最佳的整体SET响应。

文献[8]提到了用于锁相环的高速开关,该锁相环将支持完全集成的符合WiMedia标准的UWB收发器,支持1至6(3.168 GHz至10.560 GHz)频段,采用0.13 m SiGe BiCMOS技术实现。该收发器采用小型40引脚5 mm微引线框架(MLF)封装,包括宽带T / R开关,RF巴伦和所有PLL环路滤波器组件。 该接收器的NF为4.5 dB至5.8 dB,动态范围大于50 dB.该发射器符合美国和国际发射掩模要求。其中使用的T / R开关和有源单端至差分转换电路已集成到IC中,无需昂贵的外部平衡-不平衡转换器和RF开关。由此可以看出,射频开关对于电路集成度的提高及面积减小有着重要影响。同时,文中还提到,将射频开关集成在电路中,不仅使用方便,而且性能也较为稳定。

文献[9]介绍了一种采用0.13mu;mSiGeBiCMOS工艺技术制造的RF-MEMS开关,该开关具有极其优越的插入损耗和隔离度。在该文献中,作者展示了嵌入0.13mu;mSiGeBiCMOS技术的RF-MEMS开关,工作在220 - 325 GHz频段。 通过高电容Con / Coff比为8.78实现电容切换。

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