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1、第第9章章 高頻電路新技術高頻電路新技術9.1 高頻電路的集成化9.2 高頻集成電路9.3 高頻電路EDA 9.4 軟件無線電技術 9.1 高頻電路的集成化高頻電路的集成化 一、一、高頻集成電路的類型高頻集成電路的類型 集集成成電電路路是是為為了了完完成成某某種種電電子子電電路路功功能能,以以特特定定的的工工藝藝在在單單獨獨的的基基片片之之上上或或基基片片之之內(nèi)內(nèi)形形成成并并互互連連有有關關元元器器件件,從而構(gòu)成的微型電子電路。從而構(gòu)成的微型電子電路。高頻集成電路都可以歸納為高頻集成電路都可以歸納為以下幾種類型以下幾種類型:(1)按按照照頻頻率率來來劃劃分分,有有高高頻頻集集成成電電路路、甚甚

2、高高頻頻集集成成電電路和微波集成電路（路和微波集成電路（MIC）等幾種。等幾種。(2)與與普普通通集集成成電電路路一一樣樣,高高頻頻集集成成電電路路可可分分為為單單片片高高頻集成電路頻集成電路（MHIC）和和混合高頻集成混合高頻集成電路（電路（HHIC）。(3)從從功功能能或或用用途途上上來來分分,高高頻頻集集成成電電路路有有高高頻頻通通用用集集成電路和高頻專用集成電路（成電路和高頻專用集成電路（HFASIC）兩種。兩種。二、高頻電路的集成化技術二、高頻電路的集成化技術 紛紛繁繁眾眾多多的的高高頻頻集集成成電電路路,其其實實現(xiàn)現(xiàn)方方法法和和集集成成工工藝藝除除薄薄/厚膜技術等混合技術外厚膜技術

3、等混合技術外,通通常有以下幾種常有以下幾種:1傳統(tǒng)硅（傳統(tǒng)硅（Si）技術技術 1958年年美美國國得得克克薩薩斯斯儀儀器器公公司司（TI）和和仙仙童童公公司司研研制制成成功功第第一一批批集集成成電電路路,接接著著在在1959年年發(fā)發(fā)明明了了制制造造硅硅平平面面晶晶體體管管的的“平平面面工工藝藝”,利利用用半半導導體體平平面面工工藝藝在在硅硅片片內(nèi)內(nèi)制制作作元元器器件件,并并按按電電路路要要求求在在硅硅片片表表面面制制作作互互連連導導體體,從從而而制制成成高高密密度度平平面面化化的的集集成成電電路路,完完善善了了集集成成電電路路的的生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝。藝。2砷化鉀（砷化鉀（GaAs）技術技術 以以砷

4、砷化化鉀鉀材材料料替替代代硅硅材材料料形形成成的的砷砷化化鉀鉀技技術術主主要要用用在在微微波波電電路路中中。砷砷化化鉀鉀集集成成電電路路自自1974年年由由HP公公司司首首創(chuàng)創(chuàng)以以來來,也也都都一一直直用用在在微微波波系系統(tǒng)統(tǒng)中中。作作為為無無線線通通信信用用高高頻頻模模擬集成電路的選擇擬集成電路的選擇,砷化鉀器件也只是近幾年的事情。砷化鉀器件也只是近幾年的事情。砷砷化化鉀鉀MESFET的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)如如圖圖9-1所所示示,它它是是在在一一塊塊半半絕絕緣緣的的砷砷化化鉀鉀襯襯底底上上用用外外延延法法生生長長一一層層N型型砷砷化化鉀鉀層層,在在其其兩兩端端分分別別引引出出源源極極和和漏漏極極,在在

5、兩兩者者之之間間引引出出柵柵極極。對對于于砷砷化化鉀鉀MESFET,柵柵長長是是一一個個決決定定最最大大工工作作頻頻率率（fmax）的關鍵參數(shù)。的關鍵參數(shù)。圖9-1 砷化鉀MESFET的結(jié)構(gòu) 首首 次次 出出 現(xiàn)現(xiàn) 于于 1980年年 的的 高高 電電 子子 遷遷 移移 率率 晶晶 體體 管管（HEMT）可可以以最最大大限限度度地地利利用用砷砷化化鉀鉀的的高高電電子子遷遷移移率率的的特特性性。耗耗盡盡型型的的HEMT場場效效應應管管是是在在半半絕絕緣緣的的GaAs襯襯底底上上連連續(xù)續(xù)生生長長不不摻摻雜雜或或輕輕摻摻雜雜的的GaAs、摻摻硅硅的的n型型AlxGa1-xAs層層和和摻摻硅硅的的n型

6、型GaAs層層,在在AlxGa1-xAs層層內(nèi)內(nèi)形形成成耗耗盡盡層層。再再利利用用AlGaAs和和GaAs電電子子親親和和力力之之差差,在在未未摻雜的摻雜的GaAs的表面之下形成二次電子氣層的表面之下形成二次電子氣層,如圖如圖9-2所示所示 圖9-2 耗盡型的HEMT場效應管結(jié)構(gòu) 另另一一種種GaAs異異質(zhì)質(zhì)結(jié)結(jié)器器件件GaAsHBT也也越越來來越越受受關關注注,它它屬屬于于改改進進型型的的雙雙極極晶晶體體管管,其其發(fā)發(fā)射射極極和和基基極極被被制制作作在在不同材料的禁帶中不同材料的禁帶中,如圖如圖9-3所示。所示。圖9-3 GaAsHBT結(jié)構(gòu) 3、硅鍺（、硅鍺（SiGe）技術技術 硅硅鍺鍺技技

7、術術的的主主要要優(yōu)優(yōu)點點是是工工藝藝簡簡單單、低低功功耗耗、低低成成本本、一一致致性性好好,頻頻率率特特性性介介于于傳傳統(tǒng)統(tǒng)硅硅器器件件和和砷砷化化鉀鉀器器件件之之間間。一一種種典典型型的的SiGeHBT的的電電特特性性參參數(shù)數(shù)示示于于表表9-1中。中。表9-1 典型的SiGeHBT的電特性參數(shù) 三、高頻集成電路的發(fā)展趨勢 1.高集成度（更細工藝）高集成度（更細工藝）集成電路發(fā)展的核心是集成度的提高。集成電路發(fā)展的核心是集成度的提高。集集成成度度的的提提高高依依賴賴于于工工藝藝技技術術的的提提高高和和新新的的制制造造方方法法。21世世紀紀的的IC將將沖沖破破來來自自工工藝藝技技術術和和物物理理

8、因因素素等等方方面面的的限限制繼續(xù)高速發(fā)展制繼續(xù)高速發(fā)展,可以概括為可以概括為:1）（超）微細加工工藝）（超）微細加工工藝 超微細加工的關鍵是形成圖形的曝光方式和光刻方超微細加工的關鍵是形成圖形的曝光方式和光刻方法。法。2）銅互連技術）銅互連技術 長長期期以以來來,芯芯片片互互連連金金屬屬化化層層采采用用鋁鋁。器器件件與與互互連連線線的的尺尺寸寸和和間間距距不不斷斷縮縮小小,互互連連線線的的電電阻阻和和電電容容急急劇劇增增加加,對對于于0.18m寬寬43m長長的的鋁鋁和和二二氧氧化化硅硅介介質(zhì)質(zhì)的的互互連連延延遲遲（大于（大于10ps）已超過了已超過了0.18m晶體管的柵延遲（晶體管的柵延遲（

9、5ps）。）。3）低介電常數(shù)（低）低介電常數(shù)（低K介電）材料技術介電）材料技術 由由于于IC互互連連金金屬屬層層之之間間的的絕絕緣緣介介質(zhì)質(zhì)采采用用SiO2或或氮氮化化硅硅,其其介介電電常常數(shù)數(shù)分分別別接接近近4和和7,造造成成互互連連線線間間較較大大的的電電容容。因此研究與硅工藝兼容的低因此研究與硅工藝兼容的低K介質(zhì)也是重要的課題之一。介質(zhì)也是重要的課題之一。2.更大規(guī)模和單片化更大規(guī)模和單片化 集集成成工工藝藝的的改改進進和和集集成成度度的的提提高高直直接接導導致致集集成成電電路路規(guī)規(guī)模模的的擴擴大大。實實際際上上,改改進進集集成成工工藝藝和和提提高高集集成成度度的的目目的的也也正正是為了

10、制作更大規(guī)模的集成電路。是為了制作更大規(guī)模的集成電路。3.更高頻率更高頻率 隨隨著著無無線線通通信信頻頻段段向向高高端端的的擴擴展展,勢勢必必也也會會開開發(fā)發(fā)出出頻頻率率更高的高頻集成電路。更高的高頻集成電路。4.數(shù)字化與智能化數(shù)字化與智能化 隨隨著著數(shù)數(shù)字字技技術術和和數(shù)數(shù)字字信信號號處處理理（DSP）技技術術的的發(fā)發(fā)展展,越越來來越越多多的的高高頻頻信信號號處處理理電電路路可可以以用用數(shù)數(shù)字字和和數(shù)數(shù)字字信信號號處處理理技技術來實現(xiàn)術來實現(xiàn),如數(shù)字上如數(shù)字上/下變頻器、數(shù)字調(diào)制下變頻器、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)器等。解調(diào)器等。9.2 高頻集成電路高頻集成電路一、一、高頻單元集成電路高頻單元集成電路

11、這這里里的的高高頻頻單單元元集集成成電電路路,指指的的是是完完成成某某一一單單一一功功能能的的高高頻頻集集成成電電路路,如如集集成成的的高高頻頻放放大大器器（低低噪噪聲聲放放大大器器、寬寬帶帶高高頻頻放放大大器器、高高頻頻功功率率放放大大器器）、高高頻頻集集成成乘乘法法器器（可可用用做做混混頻頻器器、調(diào)調(diào)制制解解調(diào)調(diào)器器等等）、高高頻頻混混頻頻器器、高高頻頻集成振蕩器等集成振蕩器等,其功能和性能通常具有一定的通用性。其功能和性能通常具有一定的通用性。二、二、高頻組合集成電路高頻組合集成電路 高高頻頻組組合合集集成成電電路路是是集集成成了了某某幾幾個個高高頻頻單單元元集集成成電電路路和和其其它它

12、電電路路而而完完成成某某種種特特定定功功能能的的集集成成電電路路。比比如如MC13155是是一一種種寬寬帶帶調(diào)調(diào)頻頻中中頻頻集集成成電電路路,它它是是為為衛(wèi)衛(wèi)星星電電視視、寬寬帶帶數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)和和模模擬擬調(diào)調(diào)頻頻應應用用而而設設計計的的調(diào)調(diào)頻頻解解調(diào)調(diào)器器,具具有有很很高高的的中中頻頻增增益益（典典型型值值為為46dB功功率率增增益益）,12MHz的的視視頻頻/基基帶帶解解調(diào)調(diào)器器,同同時時具具有有接接收收信信號號強強度度指指示示（RSSI）功功能能（動動態(tài)態(tài)范范圍圍約約35dB）。MC13155的的內(nèi)內(nèi)部部框框圖圖如如圖圖9-4所示。所示。圖9-4 MC13155的內(nèi)部框圖 AD607為為一一種

13、種3V低低功功耗耗的的接接收收機機中中頻頻子子系系統(tǒng)統(tǒng)芯芯片片,它它帶帶有有自自動動增增益益控控制制（AGC）的的接接收收信信號號強強度度指指示示功功能能,可可廣廣泛泛應應用用于于GSM、CDMA、TDMA和和TETRA等等通信系統(tǒng)的接收機、衛(wèi)星終端和通信系統(tǒng)的接收機、衛(wèi)星終端和便攜式通信設備中。便攜式通信設備中。AD607的的引引腳腳如如圖圖9-5所所示示。它它提提供供了了實實現(xiàn)現(xiàn)完完整整的的低低功功耗耗、單單變變頻頻接接收收機機或或雙雙變變頻頻接接收收機機所所需需的的大大部部分分電電路路,其其輸輸入入頻頻率率最最大大為為500MHz,中中頻頻輸輸入入為為400kHz到到12MHz。圖9-5

14、 AD607的引腳圖 AD607的的內(nèi)內(nèi)部部功功能能框框圖圖如如圖圖9-6所所示示。它它包包含含了了一一個個可可變變增增益益UHF混混頻頻器器和和線線性性四四級級IF放放大大器器,可可提提供供的的電電壓壓控控制制增增益益范范圍圍大大于于90dB。混混頻頻級級后后是是雙雙解解調(diào)調(diào)器器,各各包包含含一一個個乘乘法法器器,后后接接一一個個雙雙極極點點2MHz的的低低通通濾濾波波器器,由由一一鎖鎖相相環(huán)環(huán)路路驅(qū)驅(qū)動動,該該鎖鎖相相環(huán)環(huán)路路同同時時提提供供同同相相和和正正交交時時鐘。鐘。圖9-6 AD607的內(nèi)部功能框圖 MRFIC1502是是一一個個用用于于GPS接接收收機機的的下下變變換換器器,內(nèi)內(nèi)

15、部部不不僅僅集集成成有有混混頻頻器器（MIXER）,而而且且還還集集成成有有壓壓控控振振蕩蕩器器（VCO）、分分頻頻器器、鎖鎖相相環(huán)環(huán)和和環(huán)環(huán)路路濾濾波波器器,如如圖圖9-7所所示示。MRFIC1502具具有有65dB的的變變換換增增益益,功功能能強強大大,應用方便。應用方便。圖9-7 MRFIC1502內(nèi)部框圖 三、高頻系統(tǒng)集成電路三、高頻系統(tǒng)集成電路 高高頻頻系系統(tǒng)統(tǒng)集集成成電電路路主主要要是是各各種種高高頻頻發(fā)發(fā)射射機機、高高頻頻接接收收機機和和高高頻頻收收發(fā)發(fā)信信機機集集成成電電路路。例例如如nRF401就就是是最最新新推推出出的的單單片片無無線線收收發(fā)發(fā)芯芯片片,該該芯芯片片集集成成

16、了了高高頻頻發(fā)發(fā)射射、高高頻頻接接收收、PLL合合成成、FSK調(diào)調(diào)制制、FSK解解調(diào)調(diào)、多多頻頻道道切切換換等等功功能能,具具有有性性能能優(yōu)優(yōu)異異、外外圍圍元元件件少少、功功耗耗低低、使使用用方方便便等等特特點點,可可廣泛應用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的產(chǎn)品設計中。廣泛應用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的產(chǎn)品設計中。nRF401無無線線收收發(fā)發(fā)芯芯片片的的內(nèi)內(nèi)部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)如如圖圖9-8所所示示。表表9-2所所列列為為其其主主要要電電氣氣性性能能指指標標。nRF401單單片片無無線線收收發(fā)發(fā)芯芯片片工工作作頻頻率率為為國國際際通通用用的的數(shù)數(shù)傳傳頻頻段段433MHz,由由于于采采用用了了低低發(fā)發(fā)射射功功率率、高高接接收收靈靈敏敏度度的的設設計計,使使用用無無需需申申請請許許可可證證,開開闊闊地地的的使使用用距距離離最最遠遠可可達達1000m;采采用用DSS+PLL頻頻率率合合成成技技術術,頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定性性極極好好;具具有有多多個個頻頻道道,可可方方便便地地切切換換工工作作頻頻率率,特特別別適適用用于于需需要要多多信信道道工工作作的的特特殊殊場場合合;芯芯片片外外部部只只需需接接一一個個晶晶體體和和幾幾個