工藝概述

PE4302及PE4304均為符合商業(yè)用途的數字步進衰減器，它們采用已取得專利權的在藍寶石基底上實現超薄硅（UTSi）的技術制造而成。其幾何尺寸目前為0.5微米，水平尺寸為0.25微米。在未來，采用UTSi技術的RF CMOS產品將挑戰(zhàn)用GaAs及其它特殊材料制成的產品。表2列出了兩種UTSi幾何尺寸下的FT及FMAX值。

圖8：典型砷化鎵/CMOS混合DSA電荷泵的寄生能量頻譜圖。

藍寶石基底有效消除了體積效應（基底電容），可提供出色的射頻性能，并天生具有抗鎖閉能力。采用這種絕緣基底制作出的大電阻和FET器件，幾乎沒有消耗功率及頻率的旁路電容。此外，藍寶石還為高精度、高衰減的DAS提供必要的隔離度。

RF CMOS還意味著可以在單芯片中集成多種混合信號。這些可集成并可驗證的模塊包括數字邏輯、EEPROM及SRAM存儲器、接口、線性、數據轉換、高IP3（三階截取點）混頻器、低噪音PLL、VCO、放大器、電源管理以及高Q值無源射頻。新DSA產品的具體性能包括較高的抗ESD能力、接近DC的高線性度、低插入損耗、串聯及并聯邏輯接口，以及專有的超低噪音負電壓發(fā)生器，所有這些功能都集成在一個芯片上。

更重要的是，高性能步進衰減器需要先進的射頻開關，RON與COFF的乘積是射頻開關一個度量指標。圖4所描述的設計及工藝的快速發(fā)展使Peregrine公司的UTSi技術具有很強的競爭力。

PE4302 的性能測量

圖9：PE4302　NVG的寄生能量頻譜圖。

在-40℃到+85℃的溫度范圍內測出的PE4302典型插入損耗值如圖5所示。這里假設將DSA模擬為一個串聯電阻，并給DSA開關一個合理的近似值。

使用下列等式：

插入損耗為1.5dB的DSA等效總串聯電阻REQ約等于18Ω，它代表6個開關的電阻總和，平均每個開關的電阻約為3Ω，這個數字與CAD模型的結果一致。與目前其它商用DSA產品相比，這種插入損耗為1.5dB的產品性能在同行處于領先地位。

圖6顯示了主要步進值下的1dB壓縮點（P1dB）與頻率的關系。這些數值代表實際的瞬時性能，一般總是高于＋33dBm。

考慮連續(xù)工作時發(fā)熱及可靠性方面的因素，產品數據表中的最大功率限制會被定得稍微低些。這種做法對于峰值與平均值相差很大的無線電波形而言是很重要的，同時也是表征高線性度的一個更好的指標。

圖10：擴大低頻范圍中的NVG的寄生能量頻譜圖。

IP3幾乎在每一種無線電及有線電視（CATV）應用中都是至關重要的。圖7是不同器件（工作電壓都為＋3V）的IIP3（輸入三階截取點）值，可以看出某些產品的IIP3在低頻時有所下降。在1GHz以上，大多數DSA確實都能達到市場需要的規(guī)格，但是許多DSA應用在10至300MHz頻率的環(huán)境中，例如有線電視需要DSA從5MHz開始就具有高線性度。盡管這里提供的只是器件的采樣數據，但是對于一般的砷化鎵器件而言還是具有代表性的（請注意低端性能）。

回波損耗是另外一個重要參數。許多步進衰減器在無法容忍阻抗失配的混頻器和濾波器的旁邊工作，失配導致的反射波也會傳輸到相鄰器件，并產生紋波、增益變化及其它問題。

負電壓發(fā)生器（NVG）的設計

面向這種應用的器件（PE4302）包括一個可選擇的片上逆變器，它可產生一個-3V的內部參考電壓。與典型的咝咝響的電容電荷泵不同，Peregrine公司的產品使用改進的開關波形和電阻/電容低通濾波以降低噪聲。結合這兩種方法可設計一種被稱為負電壓發(fā)生器的電路。圖8是帶有常規(guī)電荷泵的GaAs

表1：電阻值與插入損耗、拓撲結構的關系。

DSA的寄生能量頻譜圖，在一個很寬的帶寬上，毛刺高達-70dBm。

Peregrine產品在同樣條件下的頻譜如圖9所示。試驗裝置包括一臺頻譜分析儀，RBW＝VBW＝10KHz，REFLVL＝-70dBm， 在它的前面是一臺惠普50MHz低噪音放大器（圖形作了增益調整）。除了DC附近一個幾乎看不見的元件外，該圖形反映了測量到固有噪聲電平。

圖10顯示的是采用更窄濾波器帶寬的近距離低頻頻譜圖。該圖減去了器件關閉電源時的標稱固有噪聲電平（約為-135dBm）以便更好地顯示NVG的寄生信號成份。在NVG啟動并工作的情況下，整個器件的能量消耗僅為幾十微安培（工作電壓為3V）。只要在Vss/GND管腳加上-3V的電壓，就可以完全關閉NVG。

新增的功能

表2：UTSi性能與幾何尺寸的關系

在CMOS芯片設計的早期階段，可看到兩個沒有使用的管腳：PUP1和PUP2，用它們將衰減器上電后的狀態(tài)設置為四個值中的一個：0、8、16或31dB。這種預先設置為發(fā)射機的排列帶來實際好處。設置上電狀態(tài)為最大衰減值可以遏制輸出，同時控制器以及各種環(huán)路還可以保持它們的正常工作狀態(tài)。潛在的寄生信號在到達天線及A-I-R之前就被攔截。

由于實現這個功能的額外邏輯電路實際上是免費使用的，所以單片CMOS具有很大的優(yōu)勢。

本文小結

本文討論的先進DSA設計方法能將寬帶線性度及精確度提高到一個新的水準。與許多RF器件不同，這種電路設計還能擴展到在電路中包括多種接口和特性，想必這一定會引起數字和系統(tǒng)設計者的興趣。