(3) 通信用BiCMOS SRAM和ROM等
由于纯CMOS工艺无法生产出通信专用的高速度、大负载驱动能力的SRAM和只读存储器(ROM)芯片,而BiCMOS SRAM和ROM芯片拥有与CMOS SRAM和ROM较为接近的集成度、功耗和更高的速度,故先进的BiCMOS技术给SRAM和ROM产品的速度、容量和功耗等性能指标的调和、折衷和互补提供了回旋余地。现以BiCMOS SRAM为例,介绍图5所示的设计方案。它的主体存储矩阵用P阱中专门设计的BiCMOS存储单元组成,所设计的6管BiCMOS存储单元如图6所示,制作这种BiCMOS存储矩阵的模块区与CMOS的大致相同或略高;而图5中的地址译码器、字线/位线驱动器和读写控制电路及灵敏放大器等则可用BiCMOS电路。与全CMOS SRAM相比,本文提出的BiCMOS SRAM在低压(VDD=3.3 V)下,其存储单元存取速度提高了接近3倍,读/写一次仅需时6~8 ns,而且其备用单元功耗约为45.2nW/bit,而实用单元功耗也只有6.89μW/bit,均为较低的存储单元功耗水平。这一结果充分表明了新的BiCMOS SRAM电路结构是通信用高速、低压SRAM中较为理想的一种设计方案。
同理,该设计思路同样适用于ROM和可编程逻辑器件(PLD)的字线/位线驱动器、改写电路和读控制电路以及其它通信ASIC芯片的存储系统中。
(4) 通信模/数混合电路的应用
用BiCMOS工艺可以将模拟和数字电路集成在同一块芯片上。当然芯片上大部分面积是有数字信号处理功能的CMOS单元电路,而剩下的芯片面积(约占15%~20%)用来做模拟电路单元以及芯片与外界模拟世界的接口电路。这些模拟电路单元包括I/O(包含电阻和NPN型BJT器件)、用BJT器件制作的运算放大器、参考电压和电流源、锁存比较器和NPN型BJT器件组成的模拟电路(例如直接用来驱动LED的电路)等。这种专用芯片可以用来做SDR系统的ADC和DAC、接/发射机的模/数混合电路以及其它通信系统应用场合。
因为MOS管的阈值电压UTH对工艺过程和器件尺寸非常敏感,而BJT器件的开启电压UBE比UTH更容易精确控制,所以BJT器件更容易得到性能良好的匹配对管。这种优良匹配对管的双极型集成运算放大器的补偿电压比MOS运放小一个数量级。BiCMOS运算放大器具有双极型电路部分的低输入补偿电压和高增益,以及CMOS电路部分的低功耗和高集成度。这种强强联合的先进工艺,亦被用于软件无线电(SDR)系统中的高速、低功耗A/D和D/A转换器。
(1) 通信SOC高性能BiCMOS技术的一个重要研发方向
最近几年来,通信应用频率正在不断增加,几乎所有应用领域都将进入双吉赫兹频段。如何顺应通信形势发展的要求,将通信系统中多种功能集成在一个芯片上,即组成片上系统(System On a Chip,简称SOC),则无疑是一种较佳的解决方案。这样一来,SOC不再仅仅限于低频CMOS芯片的设计中,而且也包括了高频有线和无线通信BiCMOS芯片,这是当今高性能BiCMOS技术的一个重要研发方向。
SOC的概念是在20世纪90年代提出来的,它既克服了多芯片集成系统制作和运行中所产生的一些困难,又获得了更高的系统性能。例如,现在的CPU芯片工作速度非常高(传输延迟小于几十皮秒),但是如果存储器芯片依旧与CPU分开,则由于访址延时的加入,这种高速性能在计算机通信和未来个人通信中就体现不出来。即便使用光束传送信号,延时也只有3.3ps/mm。这就要求把存储器和CPU集成到一个芯片上去。可以预见,将更多功能集成到一个芯片上,还能解决今后芯片管脚数目增多、测试困难和成本较高等一系列问题。
现在的SOC主要有3种类型:一是以CPU为核心,集成各种存储器、控制电路和系统时钟等,乃至集I/O功能和A/D、D/A转换功能于一个芯片上;二是以数字信号处理器(DSP)为核心,多功能集成;三是上述2种之混合或者把系统算法与芯片结构有机结合的SOC。
总之,SOC的发展并不仅仅是设计上的问题,而且也是先进的工艺技术的实现问题。SOC是很多模块的集成,而且各种模块电路功能的不同,对工艺的要求也是不一样的,有的要求高集成度,有的要求高速,有的要求强驱动,有的则要求低功耗;有的是数字电路,而有的则是模拟电路。但是,BiCMOS工艺更能满足如此复杂的技术要求,先进的BiCMOS技术将会使发展通信SOC如虎添翼。
(2) 低压、全摆幅、高速BiCMOS电路的一个研究热点
如今,数字通信和internet网络的电子产品对其中VLSI芯片低电源电压、全输出逻辑摆幅的要求日趋迫切。例如便携式电子产品(如手机、笔记本电脑和个人数字助理等)因用电池供电,故电源电力极为有限,降低电源电压不仅对减少电池充电次数、延长电池寿命,而且对减小IC器件的电场强度,以防止热击穿或热电子效应,都是非常必要的。先进的BiCMOS技术已被证明在低压、高速方面优于CMOS技术。但是,BiCMOS数字集成电路存在的问题是:降低电源供电电压,势必影响到提高工作速度。目前已设计成功的逻辑单元电路有:瞬时饱和全摆幅式、电荷泵抽取式、钳位全摆幅式(图3(b))、自举全摆幅式BiCMOS数字逻辑集成门电路、BiCMOS三态门和BiCMOS连线逻辑电路等等。
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