改進混合信號電路的RF性能(06-100)

　　衛星通信也許是最有挑戰性的混合信號高可靠性的應用。不僅僅用在衛星中的元件必須經受寬范圍的溫度和輻射考驗，而且所有的元件必須有高水平性能和可靠性。現在，空間應用完全進入商業領域，所以，衛星市場所用的器件和元件的價格及尺寸大小也是關鍵因素。也許最關心的是功率。用UltraCMOS工藝(在藍寶石襯底上的絕緣體硅工藝)制造器件比用GaAs和體CMOS相比，衛星系統設計人員實現了無比的靈活性，改善了性能和功耗。

　　在空間應用中有幾種關鍵混合信號(模擬或RF和數字)器件，包括PLL(鎖相環頻率合成器)、IF集成子系統和前置定標電路。用UltraCMOS制造這些器件，能設計更輕小，性能更高及低成本的衛星系統，使發射成本更低。

　　開發CMOS的潛能

　　CMOS的低功率和容易集成的優點是人所共知的。CMOS的先進版本UltraCMOS，是50~100nm硅片直接沉積在紅寶石襯底上的完全耗盡型CMOS工藝。采用近似完全絕緣體藍寶石，UltraCMOS晶片具有標準CMOS工藝特性，低缺陷密度，簡單、高產量結構。能絕緣隔離晶體管，與其他工藝相比UltraCMOS改善了功率處理。CMOS工藝具有固有的CMOS邏輯電平，特別適合于集成混合信號設計。

　　事實上，UltraCMOS工藝為RF和混合信號設計提供截然不同的優越性和新方法。對于衛星應用，有幾個可關注的特性。此工藝提供低電容特性，使得在低功率下達到高速。與其他工藝相比，它的完全沉積工藝改善了線性度、速度和低電壓性能。UltraCMOS器件具有抗輻射性能，提供2kv HBMESD保護。因為它對大晶片以標準CMOS工藝進行處理，所以，具有成本低的優點。UltraCMOS工藝早在開發初期就用于空間應用。而且能繼續改善下一代系統所需的復雜設計。

　　PLL優越性

　　衛星信號鏈路中的關鍵器件是PLL。通常，這種器件接收非常小的信號(范圍-30dBm)并提供控制LO(本振)的復雜數字波形。因為，它是一個混合信號器件，所以，性能指標改進1dB(如相位噪聲)會決定性地影響PLL性能。

　　過去用外部分立元件制造具有良好相位噪聲性能的抗輻射PLL。這是一種大的耗電電路，限制了PLL數量，使其可能應用在衛星中。隨著單芯片PLL的出現，促使設計人員擴展此應用在先進的衛星系統中，只要相應噪聲性能滿足系統要求和可靠性能標準就行。

　　UltraCMOS PLL與分立方案相比，具有單芯片尺寸，功率優越，有較好的相位噪聲性能。所實現的UltraCMOS PLL達到業內領先的相位噪聲性能指標，是首款可用的抗輻射單芯片PLL。最近推出的PE97632，改善了噪聲性能，在1Hz相位噪聲達到-216dBc/Hz(相當于在10KHz偏移和2GHz中心頻率下的-103dBC/Hz)。隨著小小的3dB改進，衛星設計人員可以雙倍有效負載值。

　　PLL的異常相位噪聲是UltraCMOS技術對RF混合信號應用固有的適用性所致。例如，一個先進的單芯片PLL包含5000~10000 數字邏輯門和關鍵性的模擬元件(包括電荷泵，參考緩沖器和輸入放大器)。為了實現一個集成PLL，在單項技術中必須設計出每個功能都是最佳化的產品，使其相位噪聲對信號鏈路的貢獻最小。

　　在實現集成時，CMOS是通常的選擇。然而，在RF應用時，CMOS總不能滿足性能要求。因為有隔離的藍寶石襯底，所以UltraCMOS技術具有固有的抗輻射和高溫特性。UltraCMOS工藝完全是空間品質，提供抗事件閉鎖(SEL)性(優越的抗事件干擾小于10-9每位日誤差)，允許100克拉總輻射劑量。

　　為響應UltraCMOS器件引起的顯著性能改善，衛星設計人員現正在重新設計衛星結構。例如，具有良好相位噪聲性能的集成單片PLL，使衛星設計人員把它們包含在更多的設計中。因此，現在一些最新的衛星中每顆包含上百個UltraCMOS PLL。現在每個通信信道可以經濟地裝備自己本身的PLL，所以，每個信道可以分離地調節。這類改進可以影響衛星通信市場，使衛星性能用于更多服務(如廣播TV和點到點通信)。