BiCom3是一种适合高速器件设计的先进高效能互补Bi-CMOS工艺，不仅提供很高的晶体管转换频率 (transit frequency)，还具备绝佳的线性特性和精准度。BiCom3以现有的数字工艺器件库为基础，包含种类齐全的数字器件，并整合数字逻辑与双极电路结构以制造更复杂的功能。近来有许多以无线通讯、医疗影像以及高阶测试与量测为目标的创新器件出现，代表了此工艺在高速器件设计的潜力。本文将介绍工艺本身的特点、工艺与某些器件效能参数的关联以及工艺在实际器件的应用结果。
　　
　　硅锗与转换频率fT
　　以硅锗 (SiGe) 做为晶体管基极的掺杂材料可缩短基极的传输时间 (transit time)，同时将β × VA乘积维持在10,000以上，是晶体管线性特性的重要指针。在此电流特性下，BiCom3工艺可制造出转换频率高达18GHz的NPN和PNP晶体管；此优异表现是由于BiCom3不若其它许多高速工艺只能让NPN晶体管达到最高速度，还能让PNP晶体管达到最高转换速率。另外，BiCom3晶体管的速度还能达到其它类似高速工艺的两倍左右。这不仅能实现真正的互补架构，也是促成高速模拟电路设计的重要关键。
　　
　　SOI技术与失真
　　BiCom3工艺采用SOI (Silicon-On-Insulator) 技术，利用氧化埋层 (buried oxide) 把上层硅晶和底层基材 (substrate) 隔离，大幅减少寄生电容，使电流增益与尔利电压的乘积 (β × VA，晶体管线性特性的重要指针) 超过10000以上，大约高出其它相近高速工艺的4倍。
　　如后文比较图所示，速度与线性的结合让BiCom3工艺在这两方面领先其它高速工艺。
　　
　　NiCrAl薄膜电阻
　　将薄膜电阻导入工艺可为高速器件增加高精准度特性。未修整的电阻已能提供0.1%精确度的阻抗匹配，雷射修整则能将其精确度再提高100倍，对取样输入偏移电压等特性很有帮助。
　　
　　采用BiCom3工艺的高效能模拟数字转换器
　　高速与高度线性的组合最适合要求低信号失真的高速数据转换器。大频宽对取样与保持输入电路以及信号路径都有好处，优异的线性特性则能将转换电路的谐波失真减至极小。
　　除此之外，设计人员在不影响效能的情形下可利用工艺的低失真特性在取样与保持电路之前增加一个输入缓冲级，CMOS转换器则无法做到这点。
　　


　　图1：含有输入缓冲的取样与保持电路
　　
　　输入缓冲器能减少取样并保持电路的取样电容在切换时所造成的输入信号尖波，使器件在宽广的输入频率范围内能提供良好的无混附信号动态范围 (SFDR) 特性。
　　
　　这些结果可从德仪利用BiCOM3工艺发展的新型模拟数字转换器ADS5424得到证明。
　　
　　SFDR与SNR
　　从以上分析可知，BiCom3工艺的低噪声和高度线性应可反映在转换器的SFDR和信号杂波比 (SNR) 等特性。图2与图3为测量转换器在3G无线基站常用取样速率下效能所得的数据呈现。
　　图2和图3的SNR及SFDR曲线显示这颗器件可为输入频率超过200MHz的基频和中频取样应用提供优异的效能。
　　


　　图2：ADS5424在不同输入信号频率下的信号杂波比 (SNR)
　　


　　图3：ADS5424在不同输入信号频率下的无混附信号动态范围 (SFDR)
　　
　　效能最佳化
　　要让模拟数字转换器提供最佳效能并不容易，许多因素若未获得适当处理都可能导致效能下降。因此设计人员所面对的挑战绝不仅限于模拟数字转换器本身。本文将讨论其中最重要的几项因素，包括模拟数字转换器的频率抖动、驱动放大器的噪声以及谐波失真。文中并将分析它们造成的冲击，同时对此提出适当的对策。
　　
　　频率抖动造成的效能下降
　　频率抖动在执行高输入频率取样时是很重要的考虑。图4显示频率抖动与模拟数字转换器在理论上所能达到的最大信号杂波比之间的关系。必须注意的是，总抖动值等于转换器的取样抖动 (aperture jitter) 与频率抖动之和，但此处假设频率抖动为主要的抖动来源。
　　


　　图4：信号抖动与模拟数字转换器在理论上所能达到的信号杂波比之间的关系
　　
　　从图4很容易看出频率抖动必须小于1ps才能在100MHz输入频率和92MSPS取样速率下达到74dB左右的最大信号杂波比 (假设电路设计已将转换器的取样抖动减至最小)。许多系统是透过背板或可能造成信号质量劣化的其它联机传送参考频率，因此设计人员通常会以本地振荡器 (相位噪声很低的VCXO) 做为模拟数字转换器的频率源。例如TI内建低噪声VCXO的频率合成器件CDC7005就能将频率抖动 (由图6的相位噪声图代表，频率抖动等于某个频带内的相位噪声积分结果) 减至只有数百个fs，使模拟数字转换器能够克服此信号杂波比影响因素。
　　
　　运算放大器造成的效能下降
　　前例虽然证明采用BiCom3工艺的模拟数字转换器可提供优异效能，但若驱动放大器的效能无法达到同样水平以至影响整个电路的失真和噪声，BiCom3的杰出表现就会变得毫无意义。许多驱动放大器都能在信号频率较低时提供良好的效能，但真正的挑战是在中频取样的模拟数字转换器电路，也就是多数放大器于中频取样时都会产生严重的谐波失真。
　　


　　图5：CDC7005提供频率给模拟数字转换器
　　
　　而前述多项BiCOM3的特性则可将谐波失真减至极低：
　　●超过10000的β × VA乘积可提高回路增益，进而使放大器的失真变小
　　●SOI基材减少杂散电容总值以及电压造成的电容变动，这同样能减少失真 (和让放大器的速度更快)
　　●精准的阻抗匹配，使放大器拥有更好的二阶谐波消除能力 (同时将偏移电压减至最小)
　　如图7所示，BiCom3工艺让THS4509可于宽广的频率范围内提供绝佳的2阶和3阶谐波特性，至少比先前的器件高出10dB以上。
　　


　　图6：模拟数字转换器频率树的相位噪声图
　　


　　图7：THS4509谐波失真比较
　　


　　图8：THS4509噪声特性
　　


　　图9：接收机电路设计
　　
　　噪声来源
　　运算放大器的噪声效能主要由低频部份的1/f噪声以及高频部份的白噪声 (white noise) 决定，这些噪声会受其产生源及电流密度Jc影响。如图8所示，THS4509的噪声值比现有运算放大器减少大约25%。
　　


　　图10：THS4509与ADS5424组合电路的SNR / SFDR测量值
　　
　　
　　高效能接收机解决方案
　　欲证明BiCom3工艺及其设计器件的优异效能，最好的方法就是将上述器件用于接收机电路。图10为THS4509/ADS5424组合电路的SNR和SFDR的测量结果，分别代表接收机的灵敏度以及接收机在有较大信号的情形下对于小信号的侦测能力。
　　根据SNR与SFDR测量结果，THS4509/ADS5424可于基频到50MHz以上的输入信号频率范围内提供优异的效能，充分证明BiCom3器件确实拥有显著的优势。