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线性效能突破硅基RF将替代砷化镓技术
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2017-11-08
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砷化镓射频（RF）元件凭藉着优异的杂讯处理及高线性等特色，成为高效能通讯设备开发人员长久以来的首选方案；然而，近来随着绝缘层覆矽（SOI）制程技术的突破，以矽材料为基础的RF元件性能已大幅突破，成为替代砷化镓方案的新选择。
近来矽基产品在技术上的突飞猛进，再结合设计制程的改变，使其在高效能射频（RF）及微波应用中，已逐步展现做为砷化镓替代方案的可行性。设备技术的快速进展带动的需求，通常可以引导发展出最佳设计，即使此一最佳设计在开始之初可能遭到质疑，但仍有获得实践及突破的机会。直到最近，工程师 们在为4G基地台、宽频中继器、分散式天线等装置设计RF及微波电路时，都会选择使用砷化镓场效电晶体（GaAs FET），以达到最佳杂讯控制及线性效果。
但在相同应用之中，囿于种种原因，矽基产品方案却很少为设计师们所考虑，如今矽基产品已有较以往更为有效的设计，包括大小、成本、可靠度、稳定时间等都已大幅提升，除此之外，在杂讯、失真、瞬间回应等方面亦皆有所改进，可以做为电路设计的重要组成。
砷化镓技术优劣参半
砷化镓技术在无线应用领域，始终扮演着重要角色，其优点是低杂讯及高度线性效果，此二者均超越了矽基产品。因为杂讯及线性是系统中的可变增益放大器、数 位步进衰减器、切换器、调变器及混波器等重要组件的关键因素，而砷化镓在这两个方面的优越性能，使其长期成为工程师的首选。
而矽基产品通常应用于数位环境，砷化镓则只能使用在类比应用中。数位的设计通常需要在多层基板之中纳入多晶片模组，但如此的设计通常颇为昂贵，且对于潮湿的环境相当敏感，以致必须予以特殊设计及处理。
基于砷化镓的模组灵敏度等级通常是MSL3，故必须在密封后的一周之内予以启用，以确保不会因湿气而导致损坏或功效不佳，甚至导致设备在使用之初即失 效。而以矽为材料的积体电路，是以四方平面无接脚（QFN）的方式予以个别封装，故灵敏度等级是较低的MSL1，不需要特殊处理，即可执行标准卷轴执行运 送。
矽基产品的QFN封装方法，相较于砷化镓的多个层板叠压方式，前者可以拥有较佳可靠度及更低的热电阻，简化了散热管理的设计。此外，砷化镓产品具有较低的静电释放（ESD），表示其只能承受500V的人体放电模式（Human-Body Model， HBM），而矽基产品则可承受2kV，二者相较的结果是砷化镓产品可能会在组装区域中，被较低等级的ESD事件所损坏，而相同功能的矽基产品则只需要较少 的防静电措施。
绝缘层覆矽（Silicon-On-Insulator， SOI）切换器通常具有如图1的RON x COFF等优点，同时可以在较大的隔离中，呈现较低的插入损耗。图1 基地台无线电区块图显示了矽基产品如何取代砷化镓（深灰色），同时又可以在高效RF装置中获得更好的可靠度、 更高的集成及更低的成本。最后要说明的是砷化镓产品往往需要依赖外部的被动元件，如感应器或电阻，使得整体空间必须放大，才足以容纳这些外部元件，但同时也增加了复杂度。
砷化镓切换器Gate Lag明显
需要高速处理资料的设备，包括3G及4G通讯系统、工业系统等，都需要RF电晶体，才得以在接到指令后的时间要求内，完成处理或保持讯号的完整，称为安 定时间（Settle Time）。此一安定时间会受到切换器的Gate Lag设定值所影响。一般而言，启动切换器后的Gate Lag可以是上升时间结束的10-90%，以及在完全稳定之后，与电阻的差异。这个值通常会在启动后的97.5-100%之间，Gate Lag也可视为RF输出功率由90%及完全100%的时间差。
砷化镓产品都有明显的Gate Lag，特别是在低温环境下，它会显着影响系统效能。一个高速通讯系统就必须在作业之前，先等待Gate Lag造成的延迟，较长的安定时间可能会限制系统的处理速度及灵活性，也会拉长生产方案的测试时间。
矽基RF方案性能突破
虽然砷化镓产品有着上述缺点，但其卓越的杂讯系数及Third-Order-Intercept（IP3）线性处理能力，仍是难以取代的特色。直到现在，可以做为替代品的矽基产品，才以新一代技术克服传统的限制，提供了更可靠及更为经济的解决方案。新一代的RF切换器，如IDT的F2912产品，其采用SOI技术可以在功率放大器（PA）装配环境的高温下稳定运作，这些以矽为材料的切换器可以在大于120℃的高温下，仍然保有卓越的处理效能（0.7B插入损耗、+65dBm IP3及60dB的隔离）（图2）。
图2 SOI切换器的处理效能（F2912）
IDT公司另一个以矽为材料的可变增益放大器（IF Variable-Gain Amplifiers， VGA）产品F1240，可经由FlatNoise技术，提供突破性的SNR功能，FlatNoise技术可以确保即使在增益减低时，仍可将杂讯系数维持 在较低水准（如图3），而在过去的环境中，工程师必须毫无选择地接受每1dB带来的增益降低，而在强化的SNR系统中，可以在最多2dB的杂讯下，仍然保 有较高线性处理效能。
近来矽基产品在技术上的突飞猛进，再结合设计制程的改变，使其在高效能射频（RF）及微波应用中，已逐步展现做为砷化镓替代方案的可行性。设备技术的快速进展带动的需求，通常可以引导发展出最佳设计，即使此一最佳设计在开始之初可能遭到质疑，但仍有获得实践及突破的机会。直到最近，工程师 们在为4G基地台、宽频中继器、分散式天线等装置设计RF及微波电路时，都会选择使用砷化镓场效电晶体（GaAs FET），以达到最佳杂讯控制及线性效果。
但在相同应用之中，囿于种种原因，矽基产品方案却很少为设计师们所考虑，如今矽基产品已有较以往更为有效的设计，包括大小、成本、可靠度、稳定时间等都已大幅提升，除此之外，在杂讯、失真、瞬间回应等方面亦皆有所改进，可以做为电路设计的重要组成。
砷化镓技术优劣参半
砷化镓技术在无线应用领域，始终扮演着重要角色，其优点是低杂讯及高度线性效果，此二者均超越了矽基产品。因为杂讯及线性是系统中的可变增益放大器、数 位步进衰减器、切换器、调变器及混波器等重要组件的关键因素，而砷化镓在这两个方面的优越性能，使其长期成为工程师的首选。
而矽基产品通常应用于数位环境，砷化镓则只能使用在类比应用中。数位的设计通常需要在多层基板之中纳入多晶片模组，但如此的设计通常颇为昂贵，且对于潮湿的环境相当敏感，以致必须予以特殊设计及处理。
基于砷化镓的模组灵敏度等级通常是MSL3，故必须在密封后的一周之内予以启用，以确保不会因湿气而导致损坏或功效不佳，甚至导致设备在使用之初即失 效。而以矽为材料的积体电路，是以四方平面无接脚（QFN）的方式予以个别封装，故灵敏度等级是较低的MSL1，不需要特殊处理，即可执行标准卷轴执行运 送。
矽基产品的QFN封装方法，相较于砷化镓的多个层板叠压方式，前者可以拥有较佳可靠度及更低的热电阻，简化了散热管理的设计。此外，砷化镓产品具有较低的静电释放（ESD），表示其只能承受500V的人体放电模式（Human-Body Model， HBM），而矽基产品则可承受2kV，二者相较的结果是砷化镓产品可能会在组装区域中，被较低等级的ESD事件所损坏，而相同功能的矽基产品则只需要较少 的防静电措施。
绝缘层覆矽（Silicon-On-Insulator， SOI）切换器通常具有如图1的RON x COFF等优点，同时可以在较大的隔离中，呈现较低的插入损耗。图1 基地台无线电区块图显示了矽基产品如何取代砷化镓（深灰色），同时又可以在高效RF装置中获得更好的可靠度、 更高的集成及更低的成本。最后要说明的是砷化镓产品往往需要依赖外部的被动元件，如感应器或电阻，使得整体空间必须放大，才足以容纳这些外部元件，但同时也增加了复杂度。
砷化镓切换器Gate Lag明显
需要高速处理资料的设备，包括3G及4G通讯系统、工业系统等，都需要RF电晶体，才得以在接到指令后的时间要求内，完成处理或保持讯号的完整，称为安 定时间（Settle Time）。此一安定时间会受到切换器的Gate Lag设定值所影响。一般而言，启动切换器后的Gate Lag可以是上升时间结束的10-90%，以及在完全稳定之后，与电阻的差异。这个值通常会在启动后的97.5-100%之间，Gate Lag也可视为RF输出功率由90%及完全100%的时间差。
砷化镓产品都有明显的Gate Lag，特别是在低温环境下，它会显着影响系统效能。一个高速通讯系统就必须在作业之前，先等待Gate Lag造成的延迟，较长的安定时间可能会限制系统的处理速度及灵活性，也会拉长生产方案的测试时间。
矽基RF方案性能突破
虽然砷化镓产品有着上述缺点，但其卓越的杂讯系数及Third-Order-Intercept（IP3）线性处理能力，仍是难以取代的特色。直到现在，可以做为替代品的矽基产品，才以新一代技术克服传统的限制，提供了更可靠及更为经济的解决方案。新一代的RF切换器，如IDT的F2912产品，其采用SOI技术可以在功率放大器（PA）装配环境的高温下稳定运作，这些以矽为材料的切换器可以在大于120℃的高温下，仍然保有卓越的处理效能（0.7B插入损耗、+65dBm IP3及60dB的隔离）（图2）。
图2 SOI切换器的处理效能（F2912）
IDT公司另一个以矽为材料的可变增益放大器（IF Variable-Gain Amplifiers， VGA）产品F1240，可经由FlatNoise技术，提供突破性的SNR功能，FlatNoise技术可以确保即使在增益减低时，仍可将杂讯系数维持 在较低水准（如图3），而在过去的环境中，工程师必须毫无选择地接受每1dB带来的增益降低，而在强化的SNR系统中，可以在最多2dB的杂讯下，仍然保 有较高线性处理效能。
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