砷化鎵射頻（RF）元件憑藉著優(yōu)異的雜訊處理及高線性等特色，成為高效能通訊設(shè)備開發(fā)人員長久以來的首選方案；然而，近來隨著絕緣層覆矽（SOI）制程技術(shù)的突破，以矽材料為基礎(chǔ)的RF元件性能已大幅突破，成為替代砷化鎵方案的新選擇。

近來矽基產(chǎn)品在技術(shù)上的突飛猛進(jìn)，再結(jié)合設(shè)計(jì)制程的改變，使其在高效能射頻（RF）及微波應(yīng)用中，已逐步展現(xiàn)做為砷化鎵替代方案的可行性。

設(shè)備技術(shù)的快速進(jìn)展帶動的需求，通?？梢砸龑?dǎo)發(fā)展出最佳設(shè)計(jì)，即使此一最佳設(shè)計(jì)在開始之初可能遭到質(zhì)疑，但仍有獲得實(shí)踐及突破的機(jī)會。直到最近，工程師們在為4G基地臺、寬頻中繼器、分散式天線等裝置設(shè)計(jì)RF及微波電路時(shí)，都會選擇使用砷化鎵場效電晶體（GaAs FET），以達(dá)到最佳雜訊控制及線性效果。

但在相同應(yīng)用之中，囿于種種原因，矽基產(chǎn)品方案卻很少為設(shè)計(jì)師們所考慮，如今矽基產(chǎn)品已有較以往更為有效的設(shè)計(jì)，包括大小、成本、可靠度、穩(wěn)定時(shí)間等都已大幅提升，除此之外，在雜訊、失真、瞬間回應(yīng)等方面亦皆有所改進(jìn)，可以做為電路設(shè)計(jì)的重要組成。

砷化鎵技術(shù)優(yōu)劣參半

砷化鎵技術(shù)在無線應(yīng)用領(lǐng)域，始終扮演著重要角色，其優(yōu)點(diǎn)是低雜訊及高度線性效果，此二者均超越了矽基產(chǎn)品。因?yàn)殡s訊及線性是系統(tǒng)中的可變增益放大器、數(shù)位步進(jìn)衰減器、切換器、調(diào)變器及混波器等重要組件的關(guān)鍵因素，而砷化鎵在這兩個(gè)方面的優(yōu)越性能，使其長期成為工程師的首選。

而矽基產(chǎn)品通常應(yīng)用于數(shù)位環(huán)境，砷化鎵則只能使用在類比應(yīng)用中。數(shù)位的設(shè)計(jì)通常需要在多層基板之中納入多晶片模組，但如此的設(shè)計(jì)通常頗為昂貴，且對于潮濕的環(huán)境相當(dāng)敏感，以致必須予以特殊設(shè)計(jì)及處理。

基于砷化鎵的模組靈敏度等級通常是MSL3，故必須在密封后的一周之內(nèi)予以啟用，以確保不會因濕氣而導(dǎo)致?lián)p壞或功效不佳，甚至導(dǎo)致設(shè)備在使用之初即失效。而以矽為材料的積體電路，是以四方平面無接腳（QFN）的方式予以個(gè)別封裝，故靈敏度等級是較低的MSL1，不需要特殊處理，即可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)卷軸執(zhí)行運(yùn)送。

矽基產(chǎn)品的QFN封裝方法，相較于砷化鎵的多個(gè)層板疊壓方式，前者可以擁有較佳可靠度及更低的熱電阻，簡化了散熱管理的設(shè)計(jì)。

此外，砷化鎵產(chǎn)品具有較低的靜電釋放（ESD），表示其只能承受500V的人體放電模式（Human-Body Model， HBM），而矽基產(chǎn)品則可承受2kV，二者相較的結(jié)果是砷化鎵產(chǎn)品可能會在組裝區(qū)域中，被較低等級的ESD事件所損壞，而相同功能的矽基產(chǎn)品則只需要較少的防靜電措施。

絕緣層覆矽（Silicon-On-Insulator， SOI）切換器通常具有如圖1的RON x COFF等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以在較大的隔離中，呈現(xiàn)較低的插入損耗。

圖1　基地臺無線電區(qū)塊圖顯示了矽基產(chǎn)品如何取代砷化鎵（深灰色），同時(shí)又可以在高效RF裝置中獲得更好的可靠度、 更高的集成及更低的成本。

最后要說明的是砷化鎵產(chǎn)品往往需要依賴外部的被動元件，如感應(yīng)器或電阻，使得整體空間必須放大，才足以容納這些外部元件，但同時(shí)也增加了復(fù)雜度。

砷化鎵切換器Gate Lag明顯

需要高速處理資料的設(shè)備，包括3G及4G通訊系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)等，都需要RF電晶體，才得以在接到指令后的時(shí)間要求內(nèi)，完成處理或保持訊號的完整，稱為安定時(shí)間（Settle Time）。此一安定時(shí)間會受到切換器的Gate Lag設(shè)定值所影響。一般而言，啟動切換器后的Gate Lag可以是上升時(shí)間結(jié)束的10-90%，以及在完全穩(wěn)定之后，與電阻的差異。這個(gè)值通常會在啟動后的97.5-100%之間，Gate Lag也可視為RF輸出功率由90%及完全100%的時(shí)間差。

砷化鎵產(chǎn)品都有明顯的Gate Lag，特別是在低溫環(huán)境下，它會顯著影響系統(tǒng)效能。一個(gè)高速通訊系統(tǒng)就必須在作業(yè)之前，先等待Gate Lag造成的延遲，較長的安定時(shí)間可能會限制系統(tǒng)的處理速度及靈活性，也會拉長生產(chǎn)方案的測試時(shí)間。

矽基RF方案性能突破

雖然砷化鎵產(chǎn)品有著上述缺點(diǎn)，但其卓越的雜訊系數(shù)及Third-Order-Intercept（IP3）線性處理能力，仍是難以取代的特色。直到現(xiàn)在，可以做為替代品的矽基產(chǎn)品，才以新一代技術(shù)克服傳統(tǒng)的限制，提供了更可靠及更為經(jīng)濟(jì)的解決方案。

新一代的RF切換器，如IDT的F2912產(chǎn)品，其采用SOI技術(shù)可以在功率放大器（PA）裝配環(huán)境的高溫下穩(wěn)定運(yùn)作，這些以矽為材料的切換器可以在大于120℃的高溫下，仍然保有卓越的處理效能（0.7B插入損耗、+65dBm IP3及60dB的隔離）（圖2）。

圖2　SOI切換器的處理效能（F2912）

IDT公司另一個(gè)以矽為材料的可變增益放大器（IF Variable-Gain Amplifiers， VGA）產(chǎn)品F1240，可經(jīng)由FlatNoise技術(shù)，提供突破性的SNR功能，F(xiàn)latNoise技術(shù)可以確保即使在增益減低時(shí)，仍可將雜訊系數(shù)維持在較低水準(zhǔn)（如圖3），而在過去的環(huán)境中，工程師必須毫無選擇地接受每1dB帶來的增益降低，而在強(qiáng)化的SNR系統(tǒng)中，可以在最多2dB的雜訊下，仍然保有較高線性處理效能。

圖3　FlatNoise 技術(shù)在IF VGA的雜訊系數(shù)

線性是近來在矽基產(chǎn)品的另一重大改進(jìn)，如IDT即以矽為材料開發(fā)RF VGA產(chǎn)品，此產(chǎn)品采用 Zero-Distortion技術(shù)，可以在BW的2，000MHz環(huán)境中，達(dá)到》40dBm OIP3，同時(shí)在100mA的靜態(tài)電流中，可擁有23dB的調(diào)整范圍（圖4）。一般情況下，在VGA更加優(yōu)化的線性度及頻寬，可為工程師提供更大的彈性，設(shè)計(jì)接收系統(tǒng)。

圖4　采用Zero-Distortion技術(shù)的新一代以矽為材料的RF VGA（F0480）

圖5　Glitch-Free SOI DSA （F1950）

另一項(xiàng)重要的創(chuàng)新技術(shù)Glitch-Free，則可以克服數(shù)位步進(jìn)衰減器（Digital Step Attenuators， DSA）作業(yè)的不良影響。Glitch-Free可以在MSB狀態(tài)中，有效降低瞬間過高的雜訊，由10dB降至0.5dB。在如發(fā)射器的精密電子裝置中，此技術(shù)可以確保增益功能在相鄰組件間順利轉(zhuǎn)換。由過往的經(jīng)驗(yàn)可知，較大的10dB故障將會損害下游功率放大器。除此之外，傳統(tǒng)DSA需要較長的設(shè)定時(shí)間，此一特性會降低Time-Domain Duplex（TDD）系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效能，藉由Glitch-Free技術(shù)，可以有效消除上述不良影響，提升系統(tǒng)可靠度，同時(shí)可以更靈活地運(yùn)用TDD系統(tǒng)。

砷化鎵放大器憑藉著優(yōu)異的雜訊處理及高度線性等特性，使其成為設(shè)計(jì)師在高性能RF裝置的首選。然而，近來以矽基產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已在雜訊及線性等方面，以各種技術(shù)取得突破性進(jìn)展，這些技術(shù)包括SOI、Zero-Distortion、Glitch-Free等，使得矽基產(chǎn)品在成為砷化鎵替代品的選擇上，更前進(jìn)一大步。