解读RF-CMOS性能趋势

不吃鱼的猫

由于 RF-CMOS 性能趋势，许多电路模块（例如该 RF 混频器）正在进一步小型化并在更高的频率下运行

射频 (RF) CMOS 技术通过将 RF 和数字电路集成在单个芯片上，彻底改变了无线通信系统。多年来，设计和制造工艺的新 RF-CMOS 性能趋势已导致性能显着提高，从而能够开发更高效、更具成本效益的无线设备。我们将探讨 RF-CMOS 性能趋势并讨论推动其增长的因素。

RF-CMOS 性能趋势	描述
缩小技术节点	RF-CMOS 电路中的器件速度更高，线性度更高，功耗更低。
增强的设备建模	精确的器件建模技术可捕获 RF-CMOS 器件在高频下的行为，同时考虑非线性效应、寄生元件和工艺变化。
射频前端集成	RF 前端模块 (RF FEM) 与 CMOS 技术的集成可实现更小的组件
晶体管体偏置	调整 n-MOS 晶体管的阈值电压 (VT)，从而降低偏置电压，同时保持增益、线性度和噪声方面的特性。
翻转井 LVT 晶体管	翻转阱低 VT (LVT) 晶体管允许通过体电压调整 VT。它们具有较高的体增益系数，非常适合低压 CMOS 集成电路。
射频电路拓扑	纳米 CMOS 中的几何缩放可实现高性能，但代价是降低晶体管击穿电压和最大电源电压。新的 RF-CMOS 性能趋势通过创新的电路拓扑解决了较低电压运行问题。

一般 RF-CMOS 性能趋势
持续的技术扩展促进了 CMOS 集成电路 (IC) 的成功和广泛使用，从而提高了射频频率下的晶体管性能。因此，先进的纳米 CMOS 技术现在适用于高达 100 GHz 的各种应用，包括 5G、汽车雷达和成像。与传统化合物半导体或异质结双极晶体管 (HBT) 相比， CMOS 提供了更强的集成能力，有利于复杂的片上系统 (SoC) 实施。以下是推动这些趋势的一些一般技术进步。

缩小技术节点：推动 RF-CMOS 技术性能改进的主要因素之一是技术节点的不断缩小。随着半导体行业转向更小的工艺节点，晶体管尺寸减小，从而提高器件速度、改善线性度并降低功耗。这种 rf-cmos 性能趋势使得 RF-CMOS 电路能够在更高的频率下运行，从而实现先进的无线通信系统。

增强的器件建模和电路设计：准确的器件建模和电路设计技术对于优化 RF-CMOS 电路的性能至关重要。研究人员和行业专家在开发捕捉 RF-CMOS 器件高频行为的模型方面取得了重大进展，同时考虑了非线性效应、寄生元件和工艺变化。

射频前端模块的集成：将射频前端模块（RF FEM）与CMOS技术集成已成为近年来的一个重要趋势。RF FEM 包括功率放大器、低噪声放大器、滤波器和开关，对于无线设备中的信号传输和接收至关重要。

设计中特定的 RF-CMOS 性能趋势
CMOS 技术的尺寸缩小还导致电源电压持续降低，使得在无线传感器网络 (WSN)和物联网 (IoT) 等应用中使用 CMOS 成为可能。然而，低于 1V 的电源电压给电路设计带来了挑战，特别是在射频/毫米波频率方面。克服这些电压限制需要使用非标准电路拓扑和特定技术，下面将进一步讨论。

晶体管体偏置
最近的 RF-CMOS 性能趋势涉及利用体偏置技术来调整n-MOS 晶体管的阈值电压(V T )。该技术涉及根据身体和电源之间的电压 (V BS )修改 V T，使用完善的方程：

通过 V BS控制，晶体管可以在降低的偏置电压下工作，同时在增益、线性度和噪声方面保持相似的特性，这对 RF 操作来说是有效的。

此外，体偏置技术的有效性在FD-SOI CMOS平台中显着增强。这是因为与大容量技术相比，该平台的 V T变化范围更大，而且没有漏电流。

翻转井 LVT 晶体管
翻转阱低 VT (LVT) 晶体管提供了另一种方法。这些晶体管分别利用 n 阱体和 p 阱体用于 n-MOS 和 p-MOS 器件。在此配置中，BOX层充当第二栅极氧化物，主体充当栅极端子，这使得能够通过主体电压调节VT。

与传统体技术相比，翻转阱器件的体增益系数（代表 V T对体电压的灵敏度）大约高出四倍，这使得它们更适合低压 CMOS 集成电路 (IC)。

适用于低电压运行的射频电路拓扑
另一个有意义的 RF-CMOS 性能趋势是几何缩放，使纳米 CMOS 能够实现过渡频率和最大振荡频率达到 200 GHz 或更高值的高性能。然而，与同等 HBT BiCMOS 技术相比，这种改进的代价是晶体管击穿电压 (BV) 和最大电源电压显着降低。

RF/毫米波拓扑中出现了新的 RF-CMOS 性能趋势，以满足较低电压操作的需求。其中一些趋势包括：降低阈值电压 (VT)、通过正反馈增加跨导 (g m )、在电源电压 (V DD ) 和地之间仅使用一个晶体管，以及采用基于变压器的功率组合技术。

修改标准拓扑以在 VDD 和地之间仅使用一个晶体管是低压 RF/毫米波电路的另一种有效策略。高频放大器中常用的经典 n-MOS 共源共栅拓扑不能在低于 1V 的电源电压下使用。最近使用的其他可行替代方案包括中性共源 (CS) 拓扑、折叠共源共栅拓扑和电抗谐振使用电容耦合或变压器耦合进行耦合。