新技術滿足了新一代應用
新一代無線應用、自動化測試與計量、醫療儀器及成像、便攜式計算設備等都需要高性能模擬組件,而且對低功耗的要求越來越高。各公司均推出*工藝技術以滿足上述要求,如zui近推出的第三代*絕緣的補償雙極工藝 BiCom-III。
多年來,應高性能模擬設計的要求,我們推出了 ±15V、±8V 等一代分離電源 (split power supply) 電壓,zui近又推出了 ±5V 電壓,以實現現有放大器的全部性能。高性能模擬的現代潮流正向 +5V、+3V 乃至更低工作電壓的單電源方向發展。由于產生的電壓降低,這就降低了電源成本,也為低功耗應用節省了能量。如果信號的可用電壓擺幅也必須減小,上述低壓還能對可用動態范圍施加影響,這是模擬設計的一大優勢。
噪聲有多種形式。在放大器中,噪聲主要由閃爍噪聲(常稱作 1/f 噪聲,因其與頻率成 1:1 反對數關系)、熱噪聲以及散射噪聲等構成。
在放大器中,寄生信號是諧波失真或互調的產物,由放大器的非線性生成。在運算放大器 (op amp) 中,電源電壓降低通常會導致信號電平降低,因為可用來操作放大器內晶體管的電壓下降了。當噪聲與失真為常量時,SNR 與 SFDR 的降幅相當。為了重新獲得動態范圍,用于制造運算放大器的工藝與架構必須具備的噪聲與失真性能,而且晶體管正常工作時所需的電源開銷較低,工藝技術與*的電路架構還要實現重大突破。
BiCom-III 是一種專為超高精度模擬集成電路而開發的硅鍺 (SiGe) 工藝。它是電介質絕緣的硅基工藝--在基區加鍺。在基區加鍺大大增強了載體移動性,并實現了極快的瞬變時間。該工藝可生產真正補償雙極 NPN 與 PNP 晶體管,其瞬時 (transit) 頻率 (fT) 為 18-19GHz,zui大頻率 (fmax) 為 40-60GHz。互補晶體管實現了對高速高性能模擬電路設計至關重要的 AB 類放大級。
BiCom-III 工藝針對工作電壓為 3V 至 5V、溫度范圍廣的晶體管而設計,同時實現 18-19GHz 范圍內的 fT,而 fmax 值則達 40-50 GHz 的范圍。fT 的值反映出其性能比同類競爭互補技術要提高近三倍。電介質絕緣晶體管zui小化集電極到基板的寄生現象,避免其影響高頻率性能。
高速運算放大器設計技術的其它優勢還包括:極低電壓系數的金屬-絕緣體-金屬 (MIM) 電容器、出色的電阻匹配 (0.1%)、可降低寄生電容的電介質絕緣 (DI)(或稱為絕緣硅體 (SOI)),以及很高的晶體管電流增益乘以爾利電壓 (βoVA) 得到更高的放大器增益。
此外,該工藝還包括 CMOS FET,可使高度復雜的數字功能集成在芯片上,并具有出色的模擬性能。
NPN 與 PNP 雙極管
該技術的主要組件為雙極管。對于使用互補設計的高性能模擬應用,使 NPN 與 PNP 的 fT 性能合理正確地匹配(因數在 2 以內)極為有用。除高 fT 之外,高速線性運算放大器以有其它信號調節電路也需要高晶體管增益,主要特點簡而言之就是 βoVA 的積。增加 VA 通常以 fT 為代價,因為這需要提高基的摻雜級,因而導致移動性降低,并增加了發射極電容。添加鍺可以增強基場 (field),從而抵消上述影響,這樣在提高 VA 同時可得到更大的 fT。改進的基極電阻 (rb)、瞬時頻率 (fT) 以及寄生結電容 (cjc 與 cjs) 參數提高了內在寄生極的頻率,這就實現了更高的帶寬運行。互補 SiGe 雙極管可實現對稱架構,且實現低失真要求,功耗極低。此外,晶體管較小的基極電阻可使等效輸入噪聲電壓較低。典型的雙極管特性見表 1。此外,圖 1 顯示了截面視圖。