助推5G及自動(dòng)駕駛應(yīng)用落地28nm CMOS工藝領(lǐng)銜射頻微波技術(shù)創(chuàng)新

助推5G及自動(dòng)駕駛應(yīng)用落地，28nmCMOS工藝領(lǐng)銜射頻微波技術(shù)創(chuàng)新當(dāng)今的半導(dǎo)體世界是一個(gè)以“尺寸論英雄”的時(shí)代——先進(jìn)制造工藝在數(shù)年之間迅速?gòu)?6nm、10nm到7nm，今天5nm制造工藝呼之欲出——媒體報(bào)道稱(chēng)iPhone12將使用5nm。而同樣是最近，全球半導(dǎo)體芯片代工絕對(duì)的標(biāo)桿企業(yè)臺(tái)積電更宣稱(chēng)2nm工藝將在2024年投產(chǎn)。在摩爾定律被業(yè)界質(zhì)疑將窮途末路的時(shí)候，低位納米時(shí)代卻依然發(fā)揮著神奇的魔力。但在另外一個(gè)領(lǐng)域，這種工藝的競(jìng)爭(zhēng)似乎是另外一番景象——在模擬半導(dǎo)體制造技術(shù)上，顯然是在另外一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的維度，大部分新品鮮少提及工藝，而公開(kāi)提及領(lǐng)先工藝的，28nm工藝大概是業(yè)界當(dāng)前的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，特別是在射頻技術(shù)領(lǐng)域，又特別是模擬技術(shù)領(lǐng)頭羊ADI公司。該公司在前不久宣布再次推出基于其28nmCMOS的新型AD9081/2MxFE平臺(tái)，在該公司的新產(chǎn)品公告中指出該平臺(tái)允許制造商在與單頻段無(wú)線電相同的占板面積上安裝多頻段無(wú)線電，使當(dāng)今4GLTE基站的通話容量提高3倍。事實(shí)上，ADI早在兩年前就宣布推出自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的技術(shù)平臺(tái)Drive360，強(qiáng)調(diào)了首家以先進(jìn)的28nmCMOS工藝為基礎(chǔ)提供汽車(chē)RADAR技術(shù)的公司。而在同年5月推出28納米高速CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9208，瞄準(zhǔn)下一波寬帶軟件定義系統(tǒng)，并同期推出瞄準(zhǔn)4G/5G多頻段無(wú)線通信基站和2GHzE-band微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)回傳平臺(tái)千兆赫茲帶寬應(yīng)用的需求28納米高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器系列AD9172。助推5G應(yīng)用，28nmCMOS工藝領(lǐng)銜射頻創(chuàng)新毫無(wú)疑問(wèn)，射頻及微波應(yīng)用當(dāng)前最熱門(mén)的是5G。5G對(duì)帶寬、低功耗、小尺寸近乎苛刻的要求對(duì)傳統(tǒng)的前端解決方案提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。與以前的小基站只支持一個(gè)頻段不同的是，在幾乎同樣的尺寸下現(xiàn)在的基站設(shè)備需要支持三到四個(gè)頻段。5G宏基站則采用大規(guī)模MIMO，天線密度從之前的4G時(shí)代主流的4T4R/8T8R躍升至32T32R/64T64R。事實(shí)上，ADI推出的多款28nm創(chuàng)新器件就是瞄準(zhǔn)該類(lèi)應(yīng)用的迫切需求。例如上文所述，AD9081/2MxFE平臺(tái)就允許制造商在與單頻段無(wú)線電相同的占板面積上安裝多頻段無(wú)線電，使當(dāng)今4GLTE基站的通話容量提高3倍，并憑借1.2GHz通道帶寬，新型MxFE平臺(tái)還支持無(wú)線運(yùn)營(yíng)商為其蜂窩塔增加更多天線，以滿足新興mmWave5G的更高無(wú)線電密度和數(shù)據(jù)速率要求。AD9081/2MxFE器件分別集成了8個(gè)和6個(gè)RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最寬的瞬時(shí)信號(hào)帶寬(高達(dá)2.4GHz)，減少了頻率轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)量和放寬濾波器要求，從而簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)并通過(guò)減少芯片數(shù)量來(lái)解決無(wú)線設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的空間限制問(wèn)題，使得印刷電路板面積縮小60%。此外，MxFE平臺(tái)能處理更多的RF頻段，并在片內(nèi)嵌入了DSP功能，從而使用戶(hù)能夠配置可編程濾波器和數(shù)字上、下變頻模塊，以滿足特定無(wú)線電信號(hào)帶寬要求。與在FPGA上執(zhí)行RF變頻和濾波的架構(gòu)相比，它能節(jié)省10倍的功耗，同時(shí)釋放寶貴的處理器資源，或允許設(shè)計(jì)人員使用更具成本效益的FPGA。5G毫米波無(wú)線電名義上必須處理1GHz或可能更高的帶寬，具體取決于頻譜的實(shí)際分配方式。雖然28GHz下的1GHz帶寬相對(duì)較低(3.5%)，但假設(shè)是3GHz中頻下的1GHz帶寬，那么設(shè)計(jì)起來(lái)就更具有挑戰(zhàn)性，并且需要某種先進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)。下圖展示了一個(gè)基于組件的高性能位到毫米波無(wú)線電的方框圖示例，構(gòu)成ADI公司的寬RF和混合信號(hào)產(chǎn)品系列。圖1.寬帶位到毫米波無(wú)線電框圖上圖的示例中，顯示了所使用的直接高中頻變送器發(fā)射和高中頻接收器采樣，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在中頻進(jìn)行發(fā)射和接收。在能夠合理實(shí)現(xiàn)的情況下，中頻要盡可能高，以避免在RF下的圖像濾波困難，從而將中頻驅(qū)動(dòng)到3GHz及以上。幸運(yùn)的是，先進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能夠在這種頻率下工作，其中兩款產(chǎn)品同樣采用了ADI公司的28nmCMOS工藝，在高集成度壓縮信號(hào)鏈尺寸和低功耗上都具有可圈可點(diǎn)的突出表現(xiàn)——AD9172是一款高性能、雙通道、16位DAC，支持高達(dá)12.6GSPS的采樣速率。該器件具有8通道、15GbpsJESD204B數(shù)據(jù)輸入端口、高性能片內(nèi)DAC時(shí)鐘倍頻器和數(shù)字信號(hào)處理功能，支持帶寬和高達(dá)6GHz的多頻段直接至RF信號(hào)生成。雙通道、16位、12SPSAD9172可提供高達(dá)6GHz的直接RF信號(hào)合成，省去了IF至RF的上變頻級(jí)和LO生成。這樣可簡(jiǎn)化整體RF信號(hào)鏈，同時(shí)降低系統(tǒng)總成本。AD9172能在這些RF頻率上保持卓越的線性度和噪聲性能，為系統(tǒng)架構(gòu)師提供最高水平的可配置性。在接收器中，顯示了雙通道、14位、3GSPSADCAD9208。該器件內(nèi)置片內(nèi)緩沖器和采樣保持電路，專(zhuān)門(mén)針對(duì)低功耗、小尺寸和易用性而設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)支持通信應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)5GHz的寬帶寬模擬信號(hào)直接采樣。雙通道3.0GSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9208大大降低功耗（功耗降低約50%）的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)極高的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍，覆蓋最多的信號(hào)頻段數(shù)，具有適用于分集射頻接收和I/Q解調(diào)系統(tǒng)所需的低噪聲頻譜密度的特點(diǎn)。汽車(chē)微波雷達(dá)落地，28nmCMOS技術(shù)凸顯優(yōu)勢(shì)事實(shí)上，5G的頻譜已經(jīng)拓展到微波雷達(dá)的頻域，相關(guān)技術(shù)在包括汽車(chē)微波雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)等領(lǐng)域同樣適用。通過(guò)將更多頻率轉(zhuǎn)換和濾波處理從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，AD9081/2一樣也能滿足多天線相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中其他寬帶應(yīng)用的需求，通過(guò)為設(shè)計(jì)人員提供了軟件配置能力來(lái)定制其無(wú)線電。毫無(wú)疑問(wèn)ADI在28nmCMOS工藝上的制造優(yōu)勢(shì)對(duì)這些RF轉(zhuǎn)換器在帶寬、功耗和動(dòng)態(tài)范圍關(guān)鍵性能上發(fā)揮重要作用，以及覆蓋最多的信號(hào)頻帶。而這些器件應(yīng)用非常廣泛，包括航空電子、雷達(dá)、汽車(chē)ADAS、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施等等，而汽車(chē)ADAS雷達(dá)應(yīng)用則是ADI宣傳中的重點(diǎn)，特別是其Drive360平臺(tái)，強(qiáng)調(diào)雷達(dá)圍繞其領(lǐng)先的28nmCMOS技術(shù)構(gòu)建。ADI在消費(fèi)電子展上演示基于28nm信號(hào)鏈的76-81GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)技術(shù)平臺(tái)ADI在消費(fèi)電展（CES）上就已推出了其28nmCMOS技術(shù)下構(gòu)建的汽車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)（Drive360平臺(tái)），并在展會(huì)期間演示了基于該平臺(tái)的demo的雷達(dá)功能，首次向業(yè)界展示了該平臺(tái)的數(shù)字信號(hào)處理集成上的靈活性。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了分集無(wú)線電和I/Q解調(diào)系統(tǒng)的寬瞬時(shí)帶寬數(shù)據(jù)采集，同時(shí)具有高動(dòng)態(tài)范圍、低頻譜噪聲密度和低功耗特點(diǎn)，采樣率和模擬輸入帶寬能夠?yàn)槠?chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用提供直接的RF信號(hào)處理架構(gòu)