高集成度（精选8篇）
高集成度 篇1
芯片技术升级带来终端产品的加速发展。下一步, 智能手机的性能有望超过一台真正的电脑。
数据业务增速超过语音业务, 在近一年来支撑起移动互联爆发式发展。为了满足终端用户对流畅的用户体验和随时随地接入网络的需求, 高处理性能、高移动性和低功耗的芯片技术被提到更重要的位置。
数据应用激发芯片创新
微博、即时通讯等今年最流行的移动互联应用, 激发了全球终端厂商都把主要精力投向了智能终端市场, 市场竞争的激烈促使高集成度的芯片因其独特的成本以及设计优势受到了越来越多终端企业的青睐。在这一趋势下, 主流芯片企业今年都陆续发布了一系列智能终端芯片方案, 将智能终端芯片带入多核、高计算能力阶段。
高通今年上半年即在行业中率先推出了革命性的芯片产品, 包括全球首款HSPA芯片、3G/LTE多模芯片、全球首款1GHz移动单核芯片Snapdragon等。其在Snapdragon产品线上还推出了全球首款1.4GHz移动单核芯片、全球首款1.5GHz移动异步双核芯片, 以及基于全新微架构的全新单核、双核、四核芯片组, 单核速度最高达2.5GHz。
TI (德州仪器) 今年重点发布了新一代OMAP5平台, OMAP5基于ARM Cortex A15架构打造, 并且具备了2GHz的主频性能。
在支持3D技术方面, 英伟达 (NVIDIA) 的Tegra2芯片走在了产业链前面。LG今年推出的可实现裸眼3D的Optimus Pad采用了英伟达Tegra 2双核处理器。除了应用于Pad, 被誉为“超级芯片”的Tegra 2还应用到了众多主流品牌的手机中。
Broadcom公司也在积极拓展智能手机和平板电脑领域, 推出了其双核处理器平台BCM28150。
应对平价智能手机的庞大需求, 联发科技在智能终端市场今年主打支持Android的手机整体解决方案MT6573, 针对中高端市场, 联发科技还推出了EDGE手机芯片方案MT6236, 突出了强大的CPU功能。
从芯片的市场竞争可以看出, 双核战争正在不断升温, 核心动力的升级带来终端产品的加速发展。下一步, 智能手机的性能有望超过一台真正的电脑。
TD芯片能力获肯定
在TD智能终端芯片技术发展上, 芯片正在从单模过渡到多模, TD多核单芯片解决方案正被广泛采用。而且在今年, TD芯片市场由于Marvell等国际品牌的加入、联芯科技与联发科技独立运作等竞争更为激烈。
TD技术论坛秘书长时光称, TD发展之初在Modem基带等环节具有不少优势, 但起步较晚, 加上芯片本身研发周期较长, 此前从集成度、工艺、功耗等方面都比其他3G制式稍逊一些, 但通过众多芯片厂家的努力, 在很多指标上TD芯片已达到了成熟3G产品的标准, 这也直接促使了TD智能终端在今年的飞跃式发展。
总结以往的TD芯片问题, 包括联芯科技在内的多家厂商推出新TD芯片将待机功耗下降到3.5mA以下, 联芯科技的LC1710据称可以使“TD固话机可以做到200元以下, TD功能机做到500元以下, 而且基于大量商用验证的TD协议栈保证了终端的稳定运行。”而联芯科技另一款单Modem方案LC1711也基于ARM9与ZSP内核, 较以前的四核心减少了两个内核, 使成本与功耗大幅下降。
下半年中国移动两款备受关注的TD智能手机中兴Blade U880和摩托MT620因其高性价比, 使得更多厂家对Marvell公司的PXA 920单芯片方案产生合作意愿。
据Marvell高层透露, 其新一代TD双载波TD-HSPA+芯片已经研发出炉, 采用了最新40纳米技术, 并和多厂商做了一些设备上的兼容性测试。明年出样片的TD-SCDMA双核和单核芯片的主频都将在1GHz以上。
LTE提出多样化应用支撑需求
随着单芯片的不断涌现、多模多频终端的需求加大、越来越多的芯片公司进入LTE市场, 终端产业链将更多的精力瞄向了为无线宽带杀手级“体验”做支撑的新方案和新技术。在LTE的刺激下, 下一代网络对芯片的集成能力、多样化应用支撑能力的需求也在不断提高。
包括高通在内的实力芯片厂商正在快马加鞭开发整合2G、3G、LTE (TDD/FDD) 标准的多模多频芯片。在LTE产品线上, 芯片的高集成度、多模、跨操作系统以及高处理能力和多媒体性能得到更多重视。
ST-Ericsson继去年推出了TD-LTE芯片组, 并和Sagem Wireless合作开发了多模LTE/HSPA+参考设计、设备和模块后, 今年也推出了支持LTE双制式FDD、TDD以及HSPA+、TD-SCDMA、EDGE的多模芯片平台。而近期其芯片产品应用于诺基亚推出搭载微软Windows Phone操作系统的新款智能手机, 又一举打破了Windows Phone手机一直使用高通芯片的局面。
在TD-LTE规模试验中, 芯片的成熟能力得到最多关注, 目前已有十多家芯片公司加入, 除了已经通过互操作测试、进入新一阶段试验的海思半导体与创毅视讯, 联芯科技、高通、展讯、ST-Ericsson、Marvel、Sequace、联发科技等表现积极。
ST Ericsson (意法·爱立信) 中国区总裁张代君称, 目前业界已经有支持LTE的智能手机、平板电脑以及支持数据业务的设备 (比如内嵌式模块) , 未来还将看到LTE技术被用在M2M领域等其他连接性设备当中。LTE将会取代固网宽带连接并被用在连接消费型电子产品中, 比如照相机以及游戏设备等, 而移动平台则是实现这一切的核心。
高集成度 篇2
关键词：三维显示 高分辨率 光场再现 波前重建 医学影像 文化
Abstract：To relieve the great requirement of public to three-dimensional display with high resolution in the fields of culture and medical treatment， we analyze and summarize the methods of the construction of three-dimensional display system with high resolution from two aspects. They are separately based on optical field reproduction and wave-front reconstruction. Seven different techniques that are acquired by making great breakthrough are described in detail. The techniques respectively include： 360 degree three-dimensional display device based on optical field reproduction， brain segmentation of Magnetic Resonance images， real-time simulation of ultrasound images based on CT data， automatic vascular centerline extraction of angiograms， non-contact real-time enhanced display of subcutaneous veins， vascular identification based on the detection of parallel structure and clustering， three-dimensional display system design and construction of high resolution dynamic wave-front reconstruction. Finally， the current limitation are reviewed and the future works are looked forward.
Key Words：3D display； High resolution； Optical field reproduction； Wave-front reconstruction； Medical images； Culture
高集成度 篇3
2014 年2 月19 日, Maxim Integrated Products , Inc .( NASDAQ : MXIM ) 推出MAX16993 PMIC , 为设计人员提供更小巧、更低噪声、更高效的汽车仪表盘方案。
汽车OEM厂商通常将仪表盘模块在待机模式下的耗流限制在100μA以内,考虑到仪表盘所能执行的全部功能,电源本身的耗流在整个功耗预算中的占比必须限制在很小的一部分。MAX16993是市面上仅有的空载条件下静态电流低至25μA的3通道方案,该款PMIC比耗流通常在几毫安的传统DC-DC转换器效率更高。此外,MAX16993还集成了一个高开关频率控制器和两路输出转换器(每个转换器可输出3 A电流),与传统分立方案相比,可节省50%以上的电路板面积。器件工作在2.1 MHz开关频率,避免在AM频段产生噪声,并允许使用小尺寸外部电感和电容。MAX16993是汽车仪表盘和信息娱乐系统等应用的理想选择。
主要优势
小尺寸: 集成一个高压降压控制器和两个3 A 、 低压降压转换器, 与分立方案相比, 可节省50% 以上的电路板面积。
高效率: 空载条件下的静态电流仅为25 μA , 满足OEM厂商的功耗要求。
低噪声: 有效降低AM频段噪声; 提供扩频使能输入,最大程度降低电磁干扰(EMI)辐射; 提供工厂可编程同步I/O,实现更佳的噪声抑制性能。
业界评价
新型高密度集成主板设计 篇4
随着电子科技飞速发展,掌上电脑产品性能更加先进,功能更加多样且精巧实用,加上网络化信息管理系统的普及应用,世界上众多公司都加大了掌上电脑的研究和应用。
与传统的掌上电脑相比,本文设计的掌上电脑接口多、电气参数复杂,需要集成R F读写、二维条码读识、红外通讯、USB通讯、防爆等功能模块。因此,主板设计难度大,其难点是解决主板宽温设计、电磁兼容性设计和高集成度小尺寸电路主板设计难题。
2 主板设计
在主板设计中,我们重点考虑的因素有:环境适应性、性能稳定性、电磁兼容性、消耗功率、防爆性等。主要从以下几个步骤进行设计。
2.1 电路原理设计
主板电路原理设计框图如图1所示。
由图1可知,本文涉及的外设电路主要有CPU、USB、内存、按键板、液晶屏、按键、电源、RF、红外、SDIO等电路,下面给出几个电路原理图作参考,如图2~4所示。
2.2 元器件选择
在元器件件选择上,我们综合应用电磁兼容理论和现代电子技术,按照以下原则和方法进行:
(1)所有元件尽可能选用表面贴装元件
表面贴装元件不仅体积小,可有效降低电路板面积占用面积,更重要的是其引脚小,发射和接收的电磁能量小,可以显著提高电磁兼容性能。
(2)所有集成电路尽可能选用C M O S电路
C M O S电路具有的功耗低、抗干扰能力强和宽工作稳定范围等特点,特别适用于我们的设计要求,其中小规模集成电路无需特别要求均可适应军品的环境适应性要求。仅需对大规模集成电路选用军品级电路。但C M O S电路的瞬间功率设计要求高,为此我们对每个集成电路均加装了去耦合电容。
(3)所有储能元件(电感、电容)均尽可能选择低容量值,并在电压和电流加一定的限制,以达到本安防爆要求。
2.3 印制电路板布线
在印制电路的选择上,由于板面元件密度高,我们选用6层铜基复合板。其层压、走线和预浸处理等工艺均按IPC-A-610C国际工艺标准进行。6层板分布示意图见图5。
第一层是顶层,为高速元件层;第二层是地层;第三层是Y走线层;第四层是X走线层;第五层是电源层;第六层是底层,为低速元件层。
高速元件层(如C P U等)与地层紧靠,可以形成最小化接地阻抗,以此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势和减小层间干扰;地层和电源层分开,中间插入2个走线层,利用地层和电源层的大面积铜面对走线层进行屏蔽,可以有效地抑制长连接线的发射及接收电磁信号强度。
2.4 软件设计与仿真测试
掌上电脑开发阶段,采用Cadence公司的Allegro SPB 15.5软件对PCB板级的电路系统进行设计,包括原理图输入,数字、模拟及混合电路仿真,以及针对高速P C B板电路的信号完整性分析等。电路设计完成后,采用软件系统中的PCB SI模块建立掌上电脑数字PCB系统和集成电路封装设计的集成高速设计和分析环境,解决电气性能的相关问题,包括时序、信号完整性、串扰和电源完整性,同时进行E M I的仿真测试。
2.5 电路板生产
1)印刷版制作
a)激光照排,激光制版,6层铜基复合板。
2)焊接
a)在具有ISO 9001:2000质量管理体系的专业的S M T的加工厂进行生产,生产符合IPC-A-610C国际工艺标准,产品均符合IPC二级标准;
b)在高速自动SMT生产线上采用流水线方式批量生产;
c)焊接方式为回流焊,生产工艺采用无铅焊接技术,峰值温度范围为2 3 0~2 5 0℃;
d)对M C U采用B G A焊接。
3)喷漆
a)对电路板喷涂防锈漆两遍;
b)24至48小时阴干后成品。
最终主板外形图见图8、9所示。
3 结论
本文综合应用电磁兼容理论和现代电子技术,运用Allegro SPB软件进行设计与仿真测试,研制了符合宽温、电磁兼容要求的高密度集成主板。在一块主板上集成了RF读写、二维条码读识、红外通讯、U S B通讯、防爆等功能模块。
参考文献
[1]IntelXScaleMicroarchitecture.http://www.developer.intel.com
[2]周润景,袁伟亭等.Cadence高速电路板设计与仿真[M].北京:电子工业出版社.2006.
高集成度 篇5
Dave:坐在他办公室地板上, 正在吸吮一杯溢到杯口的咖啡, 嗨, Tamara博士, 正在清理房间……太不好意思叫服务人员了。
Tamara博士:[挨着Dave坐下来, 拿起几张纸巾动手帮忙]我知道你是什么意思。清理地板 (floor work) , 趁机活动活动。这提醒我, 我们可以进行下一次讨论了。
Dave:这有何关联?
Tamara博士:我们需要讨论设计布局, 我想那也是从平面图规划 (floor planning) 开始的。
Dave:是的, 平面图规划。首先, 我本人并不是布局方面的专家。我只是偶尔帮个小忙, 但如今的工具和工艺相当复杂, 所以要布置芯片就离不开能干的布局人员。实际上, 他们的正式头衔是‘掩膜设计人员’, 因为他们的工作成果是利用数据去制作用于生产芯片的掩膜。
Tamara博士:掩膜设计人员知道芯片的工作原理吗?我的意思是, 他们如何知道如何开始, 哪些模块重要而哪些不重要?
Dave:掩膜设计人员知道有关工艺和软件的许多知识, 但通常在他/她开始时并不怎么了解某一个特定的芯片。所以我们要进行平面图规划。但在此之前, 我们也能分层级地构建我们的原理图, 以便这些模块在原理图中得到清楚的显示。然后平面图规划变为简单的画线工作, 来标明模块的位置。请看图1。
Tamara博士:我明白了。你从原理图绘制出芯片内部的简单平面功能图。但作为非布局专家, 你如何知道模块在芯片上占多大面积?
Dave:我想我的猜测是有根据的。我使用足够多的布局工具来大致推断模块的尺寸, 我的布图规范就建立在这个基础之上。我们对模块进行面积预算, 然后掩膜设计人员会在布图规划中参与进来并让我知道事情是否对头。电路设计人员和掩膜设计人员是相互协同工作的。
Tamara博士:所以重要的是保持良好的工作关系。
D a v e:是的, 但有时这是一个挑战。我们总想在所有最终仿真完成前开始布局工作。实际上, 最终仿真必须包括合理布局后产生的寄生参数, 所以我们直到布局接近完成时才能进行最终仿真。
Tamara博士:这对掩膜设计人员有何影响?
Dave:一言以蔽之:改动。掩膜设计人员喜欢我们尽早固定电路设计不再改动, 以便他们能够优化布局。但后面的仿真可能会显示出我们需要纠正的问题。所以最终, 掩膜和电路设计人员都必须能灵活改变他们的设计。
Tamara博士:明白了!一旦你有了一个基本平面布图规划, 掩膜设计人员肯定还需要其他信息。
Dave:我们可能知道这个工艺设计过程, 但有些事情是可变的:金属层的数量可能变化, 为了得到一个高阻值的电阻我们可能需要做另外一次的植入和掩膜步骤。另外还可能有一个在软件中自动布局的大数字电路区。所以每个项目都有一个不同的组合。Tamara博士:我想成本会随着层数的增加而上升, 那么我们为什么使用比方说四层而非三层金属层。
Dave:这取决于芯片。如果我们有更多互连层、更多金属层, 那么数字电路封装的尺寸就要小得多。所以, 如果数字区很大, 那么多加一层金属会使芯片更小, 其效益足以弥补附加层的成本。
Tamara博士:所以该工作是为了优化整个工作而不只是层数。
Dave:是。事情总是这样。
Tamara博士:还有没有其他事情与此类似?你提到了需要另一个植入步骤来得到一个高阻值的电阻。你能否使用较低阻值的电阻和串联多个来获得你要的高阻值电阻。
D a v e:能行。但如果电阻面积增加, 它会增加寄生电容并可能使高频电路性能下降。同时始终存在成本权衡:高值电阻占用面积小, 在一些特别的设计中可以节省足够多的硅片面积来补偿附加植入步骤所产生的成本。
Ta m a r a博士:面积似乎常常被提到。我想它是设计最基本的约束条件和成本动因之一。那么这些器件的相对大小如何。CMOS晶体管与电阻或电容比较起来怎样?
Dave:我要给你一个典型的工程学答案:这取决于其他条件。晶体管可非常小, 在数字设计中通常是这样。但在模拟设计中, 一对晶体管需要匹配, 这意味着它们需要是大尺寸, 或至少足够大。电阻尺寸可以小到典型模拟晶体管的尺寸和大到芯片晶圆面积的一半, 这取决于设计。作为比较, 1k-10k电阻是几个典型模拟晶体管和几十个数字晶体管的尺寸……大致是这样。电容尺寸大, 可以说是太大。我根据RC和有源放大器构建了许多滤波器, 电容是模块中最大的元件完全不是什么不寻常的事情。你还记得741运算放大器吗?
Tamara博士:当然。常用的单位增益稳定741:我使用了成百个此种放大器。
Dave:嗯, 741运算放大器中的单个最大器件是30pF补偿电容。
Tamara博士:有意思。所以你想不使用电容。
Dave:不使用多余的电容。
Tamara博士:你提到了匹配。似乎像提到面积一样多。这怎么处理?
Dave:许多电路性能都依赖于值的比率而非绝对值。例如模/数转换器、数/模转换器和带隙基准等。在这些模块中, 我们想让关键值是彼此的整数倍。我们通过使用单位元件来做到这一点:我们构建电阻、电容甚至大晶体管, 作为通用小元件的集合。这样, 我们知道R2是R1大小的10倍, 因为R2是10个单位R1串联起来的, 而R1只是其中一个。请看图2。
Tamara博士:哇!这样, 我们知道它是完美的……
Dave:不完全是。芯片发热可能不均匀, 所以电阻中的所有元件可能并不全是同一温度, 这会使它们不匹配。我们用几何学方法解决该问题。例如, 在带隙电路中, 我们可能想让一个晶体管是另一个晶体管的8倍。所以我们先在芯片上放一个晶体管, 然后在它周围放8个完全相同的晶体管。这样, 如果整个模块有温度差异, 一些器件的温度可能稍高, 一些可能稍低, 但周围8个器件平均下来会几乎与中央器件一样。我们称之为公共质心方案。有许多与此相似的诀窍。
Tamara博士:看来这要等到下次来讨论了。但至少我们“清理”了你的咖啡。真是够乱的, 是不是?
高集成全液压煤层气钻机研制成功 篇6
日前, 高集成全液压煤层气钻机在南阳二机集团研制成功。这台以“安全、智能、经济、高效”为设计理念的1500米车载式煤层气钻机, 泥浆泵、空压机、泡沫泵全部在一车集成, 可实现泥浆钻进、空气钻进、泡沫钻进等多种钻井工艺。该新型全液压煤层气钻机的诞生, 将为国家大力倡导的非常规油气资源开采提供精良“武器”, 并有利于提高我国油气钻采装备的国际竞争力。另外, 还能在煤井、矿山抢险救援中发挥重要作用。
新型全液压车装煤层气钻机适用于钻深1500米以内的煤层气钻井作业。钻机在配置和结构设计中突出体现“性能先进、经济高效、方便作业、安全环保”等特点:整机采用全液压代替机械进行传动和控制, 自动化程度高, 结构简单, 操作方便, 能大大提高钻井工作效率, 有效降低工人的劳动强度;配备两套独立的动力单元, 一套用于行车和驱动高压大排量空压机、泡沫泵, 另一套用于驱动液压系统, 实现提升、下压、旋转等功能满足钻井作业要求, 两套动力单元根据不同场合的需求独立开关, 能有效降低能耗;钻机装有双PLC工控机控制系统和PV750监控报警系统, 实现对钻机的作业状态进行数字化监控, 当钻机出现异常时, 报警系统会发出信号进行警示, 保证钻机的稳定作业;车上自带的智能防爆系统, 使用外置小排量低压空压机系统, 对司钻箱正压防爆, 外置传感器、电磁阀等防爆等级达到IP65标准, 保证了钻机作业中的安全性。钻机的双根优势、加压快钻优势、车装高集成化快速移运优势等, 能够使钻机在作业效率方面得到飞跃提升。另外, 钻机可满足泥浆钻井、泡沫钻井、空气锤钻井等多种钻井的需求, 适应各种复杂工况的作业要求。
高集成度 篇7
尽管ICT产业风起云涌、日新月异, 令人难以准确把握其走势, 但综合来看, 华为所提出的“云管端”对端到端架构进行了很好的概括和诠释, 数据贯穿其间, 而安全技术起到了至关重要的作用。没有数据和网络安全, 一切都是枉然。安全之重毋庸置疑, 但纵观通信展全场, 我们却很难发现有某一专业的安全技术厂商参展。
细致而言, 通信展历来以通信解决方案整体交付和细分领域的设备和技术供应为特色, 因此, 如此想来, 通信展同以软件解决方案和企业网市场为主攻方向的安全软件厂商自然并不十分“对口”。但, 安全厂商不来, 并不意味着通信展没有安全的内容。以安全视角纵观全场, 我们会明显地感觉到, 安全技术融入集成平台和融合服务, 已是大势所趋;而高可靠、精准性、智能化设计, 更成为整体交付方案的突出特点。
安全为先, 智能为本
作为为数不多的专门展出了安全解决方案的厂商, 华为展台的“网络安全”展区格外抢眼。但是, 如果与华为展位人员细细聊下去, 你会发现, 华为展出的不仅仅是安全本身。
华为此次展出的“统一DPI安全平台”, 分为平台、接口、内容管理三个维度, 而IP安全作为IP内容管理的一个部分, 与IP优化、IP增值另两大功能体系并驾齐驱。华为展台人员告诉记者, 数据的爆炸正导致安全攻击泛滥, 网络和数据安全是网络建设、平台搭建、业务推送的先决条件, 因此保障安全是向客户推送服务时必须首先做好的事情;但客户也不会仅仅满足于安全本身, 而会需求更多的增值服务和智能管理服务——这就是华为“统一DPI安全平台”的设计初衷。
此平台的“IP安全”管理主要针对网络病毒、垃圾邮件、不良信息、DDoS清洗、IP溯源等展开。正如华为专家所言, 此平台的意义并非在于安全本身, 在网络和数据安全服务基础上, 其“IP优化”业务实现了流量可视化、网元分析、P2P管控、VoIP管控、流量缓存, 它包含网络DPI识控、无线DPI识控、网络加速、公平带宽分配等四大内容;而“IP增值”业务则包含了行为分析、精准广告、数据挖掘、智能镜像、访问统计等功能模块。
华为专家告诉记者, 在保证了安全服务的基础上, 推送智能、精准和灵活的交付, 更为运营商及企业用户所看中, 而这也成为综合设备提供商在考虑安全服务的共识。
当然, 设备商的业务专长和技术储备也并非总是足够。“在向企业网用户服务时, 我们的角色往往会变成集成商, 如果客户安全需求比较高端和集中, 我们也会与其他安全软件服务商合作, 共同为其推送综合方案。合作才能共赢, 整个生态都需要合力前进。”
安全渗入集成平台与融合服务
绕过华为展台, 走进爱立信、上海贝尔、中兴、诺基亚西门子等展位, 其无一例外地均未展出专门的安全主题展位。但是, 当被问及安全解决方案和安全技术时, 我们更多听到的是“集成平台”、“融合服务”、“统一推送”这样的“大”概念。
在爱立信展区, 参展人员向记者介绍“用户数据融合”解决方案时表示, 网络安全固然至关重要, 但当前的ICT安全服务已经突破了传统的攻击防范和病毒清除这样的单一维度;作为最终用户和运营商而言, 其更加关注数据内容泄露和个人隐私侵犯等安全问题, 这对设备商而言是个新挑战, 其不仅要保障数据和网络的基本安全, 同时也基于其现有平台, 要推送更多的增值服务, 并使网络进行灵活的调度和按需分配的部署。
这一点也得到了中国移动展台人员的印证。一位中国移动人士告诉记者, 中国移动所展出的飞信、MM、TD-LTE等“看得见摸得着”的个人应用, 无不依托于其背后“看不见摸不着”的安全、高可靠的网络即各种平台支撑。“安全为先”是基本保障, 但运营商目前面临互联网、IT、广电等领域竞争对手, 甚至是设备供应商曾经是合作伙伴这样的新对手, 网络的智能性、数据的灵活性和业务模式的精准性, 已经成为当前中国移动的转型需求, 也是不得不进行的转型。
高集成度 篇8
近年来, 随着微波单片集成电路 (MMIC) 和多芯片组装 (MCM) 技术的发展与应用, T/R收发电路的发展趋于小型化、轻量化、高集成。国内已陆续研制出了一系列高性能的MMIC器件, MCM工艺技术也逐步发展成熟。因此, 基于MMIC器件及MCM工艺技术的复杂电路及系统研究成为电路设计的重要课题。系统级封装 (SIP) 利用微组装和三维互联技术, 可将各种Ga As电路、CMOS电路等有源集成电路以及电容、电阻、滤波器等各类无源器件集成到一起, 实现功能复杂电路的小型化。
低温共烧陶瓷技术 (LTCC) 是实现系统级封装的一种较为理想的高密度组装技术, 材料介电常数适中, 信号传输线采用Au、Ag等良导体, 具有损耗小, 微波性能好等优点。它采用多层层叠技术可对微波传输线、逻辑控制线及电源线进行混合布线设计, 并且可将电容、电阻等无源元件集成在多层微波电路基板中, 最大限度地减小电路的体积、重量和元器件数量, 提高系统性能和可靠性, 降低成本。同时, 基于LTCC的多芯片系统可以采用气密封的金属封装, 满足苛刻环境条件下使用。因此, 基于LTCC工艺技术研制的微波电路具有高密度集成、多种电路功能和高可靠性等技术优势。
本文介绍的C波段小型化收发电路, 在采用LTCC及多芯片组装技术的基础上, 利用自主研制的Ga As幅相一体多功能MMIC, 进一步减小了电路的体积。
1.收发电路的原理及组成
T/R收发电路作为射频收发系统前端, 在整个系统中起到至关重要的作用。一般是由一接收支路和一发射支路组成, 原理框图如图1所示。天线接收到的微弱射频信号进入其接收通道, 经过放大, 以一定的幅度及相位输出, 进入后级处理。系统对接收前端的基本要求是:较低的噪声系数, 一定的小信号增益, 足够的抗电磁脉冲能力, 足够的带宽和动态范围等;经过前级处理的发射信号进入电路发射通道, 经过信号放大, 以足够大的功率及相应的相位输出至天线, 由天线辐射到整个空间。系统对发射前端的基本要求是:较高的发射功率, 稳定的幅频特性, 足够的带宽等。
针对目前收发电路小型化和高集成的要求, 对常规的采用混合集成电路的技术方案和先进的LTCC与MMIC相结合的技术方案进行对比, 其优缺点见表1。
由此可见, LTCC技术与MMIC相结合的技术方案更有利于收发电路的小型化, 且有利于提高可靠性及适于大规模生产。因此, 采用该技术方案进行收发电路的设计。为进一步提高收发电路的集成度, 采用自主研制的Ga As E/D多功能芯片, 将其射频通道主要功能芯片由通常的8片式结构缩减至3片, 如图2所示。该多功能芯片上集成了T/R开关、数控移相器、衰减器、两级放大器及驱动器。其中, 数控移相器、衰减器、两级放大器为收发共用, 由3个单刀双掷开关完成收发通道的切换。
2.收发电路的设计
2.1 TR电路及器件建模分析
电路仿真首先需要提取各个元器件的参数化模型。在TR电路模型中, 主要分为三大类模型, 包括无源元件模型、低噪放电路模型、功放电路模型。无源元件又包含微波开关、幅度均衡器、衰减器、移相器、滤波器等元件。其中无源元件模型参数主要包括插入损耗、端口驻波及隔离度等, 这些参数均可用小信号S参数表征;而放大器模型参数主要包括线性增益、噪声系数、端口驻波、1d B压缩输出功率或饱和输出功率、效率、谐波及三阶交调等, 除了小信号S参数外, 还需要用大信号X参数来表征。
2.2功放负载牵引仿真设计
常规的微波电路系统中, 所有连接微波器件的信号端口均匹配到50Ω, 但是对于功率放大器, 为了得到最大输出功率, 其主要工作在饱和区, 进入非线性区后S参数会随着输入信号的增大而不断变化。这使得阻抗匹配变得较为困难。所以, 需要利用负载牵引 (LoadPull) 原理找出功率放大器获得最大输出功率时对应的负载阻抗ZL, 再根据该负载阻抗ZL设计外部的匹配网络, 使阻抗过渡到50Ω信号端口。
针对该收发电路的功率及效率需求, 建立功率放大器的负载牵引模型, 如图3所示。经过仿真, 选取固定的几个频率点, 在史密斯圆图 (Smith chart) 上, 对于某个给定的输入功率值, 得出不同负载阻抗时的等输出功率曲线和等附加效率曲线, 图4给出了功率放大器在f0频点时的等输出功率曲线及等功率附加效率曲线。可以看出, 最大输出功率Pout=39.12d Bm对应的负载阻抗值ZL1=58.764+j*9.585, 而最高功率附加效率η=38.66%对应的负载阻抗值ZL2=30.289+j*4.902, 二者偏离甚远。因此, 需要在各频点的最大输出功率和最高功率附加效率对应的负载阻抗之间进行折中考虑, 得到最佳外部负载阻抗。
2.3局部电路的电磁场仿真分析
在整个收发电路中, 除上述有源和无源电路模型外, 还需要对其微波不连续及较为敏感的局部区域进行三维电磁场仿真分析及优化, 如键合引线过渡区域、微带到同轴转换、带状线、输入/输出阻抗匹配等, 仿真模型如图5所示。
根据电磁场优化仿真结果的S参数, 建立局部电路的参数化模型, 将其与MMIC芯片等元器件的参数化模型一起代入系统中进行仿真, 从而对整个电路做出更准确的评估。
3.LTCC基板设计和电路制作
该小型化收发电路采用10层LTCC基板, 基板材料为Frrro A6M, 介电常数5.9, 损耗角正切0.002。布线采用的工艺最小线宽、线间距均为100μm, 孔直径150μm, 电阻浆料方块电阻选择10Ω/□、100Ω/□和1kΩ/□3种, 控制精度基板内部为±20%, 表面为±5%。LTCC底部要求整板焊接, 通孔填充材料为导电金浆, 以保证电导率和可靠性。基板设计遵循电磁兼容的原则, 对电源层和信号层分层设计, 层间由网格地进行电磁屏蔽。此外, 还对LTCC基板进行了减小应力的圆弧角设计和防止焊接“析金”的阻焊设计。
收发电路内部采取微组装工艺进行装配, 封装外壳使用适合激光密封的新型材料硅铝CE11, 其线热膨胀系数与LTCC基板相匹配, 功放芯片共晶烧结在高导热率的钼铜载体上, 并直接钎焊在封装外壳上, 一方面提高了功放芯片的散热效率, 另一方面便于拆卸返修。其余MMIC芯片、控制及调制CMOS芯片采用导电胶粘接工艺装配于LTCC基板或封装外壳上。图6为C波段小型化收发电路实物照片, 体积为30mm×30mm×8mm。
4.测试结果及讨论
对微组装完成的收发电路进行了测试, 并将测试结果与仿真优化结果进行了对比分析。图7 (a) 、 (b) 、 (c) 分别给出了接收通道小信号增益、噪声系数、发射通道饱和输出功率的对比结果。由图7 (a) 可以看出, 接收通道增益在应用频带内大于32d B, 且测试与仿真结果吻合较好, 最大误差0.6d B;同样由图7 (b) 可见, 噪声系数在应用频带内小于1.4d B, 最大误差小于0.2d B。这主要是由于LTCC工艺误差及装配工艺误差所致。
在规定的脉冲周期和占空比条件下, 对发射通道进行测试, 结果如图7 (c) 所示。发射通道饱和输出功率在应用频带内大于39d Bm, 且个别频点的测试值大于仿真结果, 最大误差约0.2d B。这主要是由于在负载牵引仿真时, 各频点最大输出功率匹配对应的负载阻抗不同, 而且要兼顾功率附加效率, 导致个别频点的输出匹配稍差, 而键合线的仿真和实际状态也存在一定差异, 最终导致误差的形成。
此外, 经测试接收通道驻波小于1.5, 功率附加效率大于33%, 收发通道RMS移相误差均小于2°, 主要技术指标均达到要求, 且和仿真结果吻合较好。随着电路系统日趋复杂, 元器件越来越多, 这种局部电磁场优化仿真和全局电路系统仿真相结合的设计方法表现出了巨大的优越性, 在设计中应继续探索应用。
结论
本文设计并制作完成了基于Ga As多功能MMIC和LTCC的C波段小型化收发电路。首先采用小信号S参数和负载牵引法对各单元电路进行建模, 并对较为敏感的电路结构建立三维电磁场模型进行优化设计, 在此基础上对整个收发电路的增益、噪声、驻波及功率等指标进行了优化仿真分析。该收发电路采用多层LTCC工艺技术实现, 并充分利用Ga As多功能芯片高集成度的优势, 极大地减小了收发电路的体积, 并提高了可靠性。通过优化设计及实验验证, 该小型化收发电路具有良好的电性能指标, 且电路仿真与实测结果基本一致, 具有较好的推广应用价值。
摘要：本文基于GaAs多功能MMIC高集成度的优势, 采用多层LTCC工艺技术研制了一种小型化C波段收发电路。讨论了系统方案的优化设计, 建立了各单元电路的参数化模型。在此基础上采用局部电磁场优化仿真和全局电路系统仿真相结合的设计方法, 对收发电路的各项指标进行了优化仿真分析。该电路性能优良, 接收增益大于32d B, 噪声系数小于1.4d B, 驻波小于1.5, 发射功率大于39d Bm, 电路模块尺寸为30mm×30mm×8mm, 且内部集成了收发电源调制电路、幅相及收发控制电路、电源保护电路等, 集成度提高的同时, 其体积大幅度减小。