单片微波集成电路(MMIC)芯片设计技术介绍

        单片微波集成电路(MMIC)是一种微波电路，其中有源和无源元件被制成在同一半导体衬底上。工作频率可以从1GHz到远超过100GHz，可以使用许多不同的技术和电路方法。额外增加的术语“单片（monolithic）”是必要的，以区分他们与已有的微波集成电路(MIC，microwave integrated circuit)之间的区别，这是一个使用焊料或导电环氧粘合剂混合组成的一些离散的有源组件和无源组件集成在一个共同的基板上。这些被称为集成电路，它们是使用空心金属波导，其中包含有源器件而且需要大量机械设计和车间加工问题的替代方案。
        
       图1、Caswell公司为卫星接收器开发的低噪声MMIC放大器
        严格地说，工作在30GHz以上的单片（monolithic）电路也许应该被称为单片毫米波集成电路（monolithic millimetre-wave integrated circuits），但已经使用了一些替代缩写(例如MMWIC或M31C)，目前似乎还没有达成普遍的共识。更多的混乱来自于一些人使用RFIC术语来表示在低GHz范围内工作的电路（最常用的是硅技术），另一些人则是一个模糊的通用电路术语，如RF、微波或毫米波单片电路等。在我们的系列文章中，几乎完全使用缩写MMIC，它应该被理解为也包括毫米波电路。所有这些术语可能会变得冗余，因为目前的趋势是在芯片上的集成系统（systems-on-a-chip），这种技术的设计目标是一种将数字和模拟功能与微芯片组件、光学元件和无线电收发器相结合的集成电路。
        
       图2、安装在氧化铝基板中的典型MMIC
        图1显示了一个开发的卫星应用(芯片大小为3.5 X 1.5平方毫米)的三级MMIC低噪声放大器。输入和输出分别在芯片的左侧和右侧，焊盘处于地-信号-地模式，以使RF-on-晶圆(RFOW，RF-on-wafer)测量成为可能。该电路包含三个晶体管、九个电容、十个螺旋电感、七个电阻以及一定数量的互连微带线。
        
        图3、世界上首个GaAs FET MMIC放大器
        这种的无源组件被大量使用是必要的，因为无源组件在匹配网络中是必不可少的，以便增加在微波频率下晶体管获得更高的可用增益。在微波频率下设计的另一个特点是，互连走线对放大器有很大的影响，互连线和任何不连续的(例如弯曲的走线，T型结等)都必须使用微波CAD工具建模为微带元件。虽然MMIC可能比其他集成电路具有更低的表观复杂度，但它们确实提供了最高的可工作频率。这意味着MMIC具有特殊的应用范围，MMIC设计与传统的VLSI设计有很大的不同，其中CAD工具提供了高度的布局自动化。MMIC上互连线的重要传输性质要求设计者在布局过程中更多地参与进来。