化合物半导体基超高速数模混合电路研制取得整体突破

2010-10-13 14:01 来源: 中国科学院
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  中科院微电子研究所微波器件与集成电路研究室化合物半导体基超高速数模混合电路课题组经过全力攻关,日前在超高速数模混合芯片研制领域取得整体突破。课题组成功研制出多款基于1um GaAs HBT工艺的超高速数模混合电路芯片,该系列芯片全部采用自主创新的架构,其性能已达到或超越国际同类芯片的最高水平。

  4GHz 32bit超高速DDS芯片

  基于1um GaAs HBT工艺的4GHz 32-bit超高速直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)芯片,测试结果表明其可在4GHz时钟频率下正常工作,可生成0~2GHz范围内的频率捷变正弦波,其最差无杂散动态范围(SFDR)大于40dBc,芯片面积为4.6mm*3.6mm,其工作时钟频率超过国外同类型产品。

  研究中采用自主创新的DDS架构,保证了芯片在时钟频率为GHz的条件下正常工作,该款芯片含有近万只HBT晶体管,电阻2600余只,是目前国内实现的首款含有万只晶体管的DDS。该款芯片的内部还设计了Strobe电路用于调整输入的控制字与内部时钟的同步,使得输出正弦波形可在频率切换时保持相位连续。该芯片是目前国内所报道的时钟速度最快的32bit DDS,其架构与设计均达到国际一流水平,它的研制成功为国内超高速DDS的发展起到重要的推动作用。

  2GSps 8bit超高速ADC芯片

  基于1um GaAs HBT工艺的8-bit超高速模数转换器(Analog to Digital Converter, ADC)芯片,其测试结果表明可在300MHz~2GHz采样频率下正常工作,模拟信号-3dB全功率带宽达到3GHz,在3GHz输入带宽内有效位数(ENOB)达到6bit,SFDR大于45dBc,测试结果见图3所示,这是国内首次报道的2GSps 8bit的超高速ADC芯片。

  该款ADC芯片采用折叠内插架构,充分发挥异质结晶体管(HBT)的潜力,在达到高精度的同时保持较小的电路规模。芯片集成了约5000只GaAs HBT晶体管,面积为3.6mm*3.6mm,ADC的评估板以及芯片照片如图4所示。芯片的输出数据采用标准LVDS电平,可以和商用FPGA芯片直接相连;芯片内部带有温度监控电路,芯片的每个管脚都做了ESD保护处理,这些设计使得ADC芯片具有一定的实用性。该款芯片是一款通用芯片,可以应用于宽带雷达、超宽带通信、高速示波器等领域,具有广阔的应用前景。

  12.5GSps超高速单比特比较器芯片

  基于1um GaAs HBT工艺的单比特超高速比较器芯片,测试结果表明,超高速单比特ADC芯片在 DC-12.5GHz时钟频率下工作正常,输入信号灵敏度为-20dbm,对DC-18GHz输入模拟信号采样数据正确。考虑到多芯片同步的应用需求,芯片内部集成了时钟同步电路,可以有效实现多芯片的同步工作。为了满足高速率的要求,芯片输出采用LVDS接口。该芯片集成约1600个GaAs HBT晶体管,芯片面积为2.3mmx2.3mm。电路采用-5.2V/+3.3V双电源供电,总功耗为3.2W。单比特ADC芯片照片及测试数据频谱分析如图5所示。该芯片的各项性能指标均达到了国外同类型芯片产品的水平,目前正与用户单位合作开展应用验证工作。

  Ka波段矢量调制器和解调器芯片

  研制成功基于1um GaAs HBT工艺的Ka波段(26.5~40GHz)矢量(IQ)调制/解调器。其中,调制器芯片面积为1.35mm×3.5mm,如图6所示,采用5V电源电压,总功耗为200mW。在载波为25~35GHz,基带调制速率达到2Gb/s,QPSK调制星座图错误向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)小于6%。解调器芯片面积1.35mm×3.5mm,采用4.5V电源电压,总功耗为350mW。解调器可工作的载波频率为25~35GHz,解调基带速率可达到2Gb/s。输出I路与Q路相位误差<5°,幅度误差<0.5dB。

  该系列芯片的研制成功,标志着微电子所在超高速数模混合电路研制和产品化道路上迈出了重要一步,充分展示了微电子所在超高速数模混合电路设计方向的强大实力。研究组成员将继续努力,为国内超高速数模混合电路的实用化发展作出贡献。

图1 4GHz 32bit DDS芯片照片

图2 4GHz 32bit DDS芯片测试波形和输出频谱图

图3 2GSps 8bit ADC芯片测试结果

图4 2GSps 8bit ADC评估板和芯片照片

图5 单比特ADC芯片照片及测试数据频谱分析图

图6 Ka波段I/Q失量调制器芯片照片