wifi用砷化鎵接收前端集成電路

1、<p>　　WIFI用砷化鎵接收前端集成電路</p><p>　　[摘 要]介紹一種適用于802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)纳榛壭⌒突邮涨岸思呻娐樊a(chǎn)品。芯片主要由單刀三擲開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器以及驅(qū)動(dòng)電路組成，可提供接收放大、接收旁路、藍(lán)牙和發(fā)射四種工作模式，具有噪聲低、增益高、隔離度高以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可提供增益13dB@2.4GHz，噪聲系數(shù)小于2dB@2.4GHz，工作電流小于15

2、mA，1dB壓縮點(diǎn)大于28dBm，可應(yīng)用于絕大多數(shù)2.4GHz的短程無(wú)線保真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中。 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）44-0267-02 </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　隨著砷化鎵集成電路工藝的技術(shù)革新，尤其是新型的E/D PHEM

3、T工藝平臺(tái)的出現(xiàn)和成熟，使得多種器件可以在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工藝平臺(tái)上被加工出來(lái)，0.5um線條的E/D PHEMT砷化鎵材料技術(shù)及工藝可將增強(qiáng)型和耗盡型器件集成在同一個(gè)晶圓上，可將多種不同功能的電路集成到在一顆芯片上，這也是目前射頻前端簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。 </p><p><b>　　二、電路設(shè)計(jì) </b></p><p>　　該芯片應(yīng)用于滿足802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)

4、的無(wú)線局域網(wǎng)，用于無(wú)線射頻信號(hào)的收發(fā)[1]，該芯片內(nèi)部電路主要包含SP3T開(kāi)關(guān)、2.4～2.5GHz低噪聲放大器、SPST旁路開(kāi)關(guān)和用于驅(qū)動(dòng)低噪放和開(kāi)關(guān)的邏輯轉(zhuǎn)換電路。 </p><p>　　2.1 射頻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) </p><p>　　在本電路中，射頻開(kāi)關(guān)部分的主要作用是切換射頻支路并隔離各個(gè)通道干擾，本芯片中的開(kāi)關(guān)電路主要有兩部分，一部分是切換RX、TX、BT到天線ANT支路的SP3T開(kāi)

5、關(guān)，另外一部分是用于旁路LNA的SPST開(kāi)關(guān)。由于本電路的核心指標(biāo)為接收通道的噪聲系數(shù)和發(fā)射通道的功率容量，因此插損和功率處理能力指標(biāo)是開(kāi)關(guān)電路中FET管尺寸優(yōu)化選擇的主要依據(jù)。 </p><p>　　在確定選擇雙柵結(jié)構(gòu)的器件基礎(chǔ)上，再根據(jù)插損指標(biāo)和飽和電流優(yōu)化器件尺寸，0.5um柵長(zhǎng)的D-FET飽和電流約為230mA/mm，按照電流有效值和特性阻抗乘積約等于有效功率的計(jì)算方法，1mm以上的器件可以滿足28dBm

6、左右的功率處理能力要求，然后根據(jù)foundry提供的砷化鎵雙柵結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管兩端口等效開(kāi)關(guān)模型來(lái)仿真插損指標(biāo)。 </p><p>　　2.2 低噪聲放大器設(shè)計(jì) </p><p>　　用于接收支路最前級(jí)的低噪聲放大器是影響接收信號(hào)靈敏度的最關(guān)鍵元器件，本設(shè)計(jì)中，接收支路的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)決定了整個(gè)電路的噪聲系數(shù)和增益，為了使用方便，低噪放的前后級(jí)匹配電路全部在片上實(shí)現(xiàn)，且本工藝平臺(tái)中E-mo

7、de PHEMT器件具有正向開(kāi)啟電壓的特點(diǎn)，有利于單電源工作，因此選用E-mode器件作為低噪放的核心有源器件。 </p><p>　　由于設(shè)計(jì)要求所有匹配電路都集成在片上，因此整個(gè)芯片的布局較為緊湊。如果選用片上平面螺旋電感，在該頻段，電感所占面積較大，損耗較大，影響噪聲系數(shù)性能，因此，最終選用體電阻作為柵極偏置電路元件，并根據(jù)晶體管尺寸大小和電路進(jìn)一步優(yōu)化選擇合適的阻值，以同時(shí)達(dá)到扼流和選擇工作點(diǎn)的作用，經(jīng)過(guò)

8、ADS仿真，電阻值選擇4.5K歐姆左右，柵極工作點(diǎn)在+0.4V，工作電流約為15mA。 </p><p>　　此外，在低噪聲有源偏置電路設(shè)計(jì)中考慮了一個(gè)溫度補(bǔ)償作用，如下圖1所示，Q1和Q2組合成標(biāo)準(zhǔn)的電流鏡電路，R1電阻分壓起負(fù)反饋?zhàn)饔?，為低噪聲放大器提供穩(wěn)定的Vgs。由于有源偏置電路的晶體管和低噪聲放大器的晶體管有相同的加工工藝與過(guò)程，因此具有相類似的溫度特性，這就使得溫度變化時(shí)電流鏡電路 Vbias和 Vg

9、s 能夠互相制約[2]。 </p><p>　　2.3 邏輯電路設(shè)計(jì) </p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路部分采用的是經(jīng)典的DCFL式邏輯電路，這種電路其中具有構(gòu)成器件少、級(jí)間可直接耦合、單一電源工作以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)[3]，可降低砷化鎵邏輯電路規(guī)模。 </p><p>　　倒相器的上升時(shí)間和下降時(shí)間由負(fù)載管和驅(qū)動(dòng)管的電流能力來(lái)決定，也即是由兩個(gè)管子的寬長(zhǎng)比來(lái)決定，這樣，通

10、過(guò)計(jì)算不同寬長(zhǎng)比時(shí)的上升下降時(shí)間，就可以得到滿足設(shè)計(jì)要求所需的器件尺寸。本電路中實(shí)際設(shè)計(jì)的邏輯電路包含倒相電路和一個(gè)三輸入與門的功能，如下圖2所示。 </p><p>　　在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，選擇適當(dāng)?shù)碾娮韬偷瓜嚯娐酚性雌骷叽绲谋壤P(guān)系，可以優(yōu)化控制電平的高低門限。本設(shè)計(jì)中，在保證承受發(fā)射功率所需工作電壓的前提下，電路可滿足0/2.8V-3.3V驅(qū)動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　三、封

11、裝及測(cè)試結(jié)果 </p><p>　　針對(duì)該芯片的主要用途在于WIFI無(wú)線傳輸系統(tǒng)中的收發(fā)終端設(shè)備中，設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)了適用于該芯片管腳功能的QFN1.5mmX1.5mm-12L的小尺寸塑封形式，根據(jù)管腳定義，合理的分配了Leadframe支架結(jié)構(gòu)，在使得芯片內(nèi)部良好接地的同時(shí)，又保證了芯片封裝尺寸的余量，同時(shí)開(kāi)發(fā)了彈簧接觸式測(cè)試夾具，可做到進(jìn)行無(wú)損傷外觀測(cè)試。 </p><p>　　小信號(hào)主要

12、性能如下表1所示： </p><p><b>　　四、結(jié)論 </b></p><p>　　采用0.5um線條的砷化鎵PHEMT E/D-mode工藝設(shè)計(jì)的2.4GHz WIFI用接收前端集成電路，具有增益高、噪聲低、發(fā)射損耗小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。在2.2-2.6GHz工作頻率范圍內(nèi)，增益大于12.5dB，噪聲系數(shù)小于2dB，輸入輸出電壓駐波比小于2：1，發(fā)射通道和藍(lán)牙通道

13、插損小于0.7dB，發(fā)射通道和藍(lán)牙通道功率容量大于+28dBm，并集成驅(qū)動(dòng)器和匹配電路，使用方便，適用于滿足802.11 b/g/n協(xié)議下的2.4GHz WIFI無(wú)線傳輸系統(tǒng)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] RTC6627，Highly integrated，Receive Path Front End Module，