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单片微波集成电路(MMIC)设计系列——MMIC基础



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MMIC是Monolithic Microwave Integrated Circuit的缩写,在国内我们通常把它翻译成单片微波集成电路。MMIC有两个特点:第一,它通常工作在微波频段(Microwave)。第二,它的尺寸很小,单片尺寸从大约1平方毫米到10平方毫米左右。



 
 
 
MMIC包括多种功能电路,如低噪声放大器(LNA)、功率放大器、驱动放大器、衰减器、混频器、上变频器、倍频器、检波器、调制器、压控振荡器(VCO)、移相器、鉴相器、开关、MMIC收发前端,甚至整个发射/接收(T/R)组件(收发系统)等等。



 
 
 
与MMIC相对应的是HMIC(混合微波集成电路)。MMIC与HMIC相比拥有很多优势,比如说小而轻巧,可靠性高,数量大的情况下成本比较低,对复杂电路尤为经济。当然,MMIC初期投资费用也比较昂贵,生产制造周期也比较长。首次流片的花费在50-200万人民币,再次流片的价格也要5-10万人民币,这还是对GaAs器件来说的,如果是GaN还要更贵。


 
 
 
MMIC主流材料是砷化镓(GaAs)。与硅(Si)材料相比,GaAs材料具有两个基本优点:器件速度更快,衬底绝缘性更好。这些对于高频电路设计是非常关键的。近年来实践证明另外一种半导体化合物材料磷化铟(InP)在增益,截止频率和低噪声方面性能比GaAs更为卓越。但是,从价格上来说,InP更为昂贵, 会带来成本的增加。氮化镓(GaN)也是另一种MMIC的工艺选择。GaN晶体管可以在比较高的温度,比较高的电压下工作,其制造的功率放大器在最大功率,转换效率等方面的性能也更为理想。另外近年来随着Si材料技术的发展,使用Si材料制造MMIC也成为了一种选择,Si材料的好处是成本低,集成度高,器件选择更为丰富等等。然而时至今日还没有任何可量产的Si工艺可以和GaAs相媲美。在MMIC器件中,GaAs工艺(包括HBT,MESFET,HEMT, PHEMT等器件)技术从性能,价格,稳定性等综合角度来讲仍然是最合适的选择。


 
 
 
根据英国著名产业研究公司Technavio在2017年1月初发布的名为《全球砷化镓(GaAs)器件市场2017-2021》报告数据,全球GaAs器件市场将以复合年增长率(CAGR)4%的速度增长到2021年的91.3亿美元。Technavio公司的统计表明,GaAs市场营收中超过54%来源于移动设备,该细分市场的高速增长受快速发展的3G/4G/5G网络的驱动。移动手机和平板电脑接受程度的增加扮演一个重要推动力,移动手机的出货量预计到2020年达到20亿部。该增长将驱动对移动手机用GaAs器件需求的增加,尤其是GaAs功率放大器。


 
 
 
全球顶级GaAs器件供应商包括 Skyworks Solutions, Qorvo, Broadcom (Avago), Advanced Wireless Semiconductor, ADI (Hittite), M/A-COM Technology Solutions, Murata Manufacturing 等等,占整个GaAs器件市场近 98% 的收入。

好啦,本期基础介绍就到这里了,下一期我们会介绍MMIC的设计流程,敬请期待~


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