Η εξέλιξη των RF Front-End Αρχιτεκτονικές

Η μπροστινή άκρη της ραδιοσυχνότητας (RF) είναι από καιρό το εμπόδιο στην απόδοση του ασύρματου συστήματος. Παραδοσιακά σχέδια διαχωρίζουν κάθε λειτουργία ⁇ φιλτράρισμα, ενίσχυση, ανάμειξη και μετατροπή ⁇ σε διακριτά, διακριτά συστατικά. Αυτή η κατάτμηση αναγκάζει τις συναλλαγές μεταξύ του θορύβου, γραμμικότητα, και κατανάλωση ενέργειας, ενώ απαιτεί επίσης στενή παρεμπόδιση και προσεκτική διάταξη του σκάφους για την ελαχιστοποίηση των παρασιτικών επιπτώσεων. Για τα συστήματα LTE 4G με εύρος ζώνης καναλιών έως 20 MHz, αυτές οι προσεγγίσεις ήταν εφαρμόσιμες, αλλά 5G NR εισάγει συγκέντρωση φορέα με εύρος ζώνης άνω των 100 MHz και ποσοστά αιχμής που μετρούνται σε gigabits ανά δευτερόλεπτο. Η αναλογική αλυσίδα σήματος γίνεται όλο και πιο εύθραυστη ως κλίμακα συχνότητας και εύρους ζώνης.

Η ενσωμάτωση πολλαπλών λειτουργιών σε ένα μόνο κύβο πυριτίου ή μέσα σε ένα μόνο πακέτο έχει καταστεί επιτακτική. Οι προσεγγίσεις System-on-chip (SoC) και System-in-package (SiP) συνδυάζουν πλέον τους ενισχυτές χαμηλού θορύβου (LNAs), τους υποτροπείς, τα στάδια μεταβλητού κέρδους και τους αναλογικούς προς ψηφιακούς μετατροπείς (ADCs) σε ένα υπόστρωμα. Αυτή η ενσωμάτωση συρρικνώνει το φυσικό αποτύπωμα κατά περισσότερο από 50% σε σύγκριση με τις διακριτές υλοποιήσεις μειώνοντας τις απώλειες μεταξύ σταδίων και βελτιώνοντας την απόδοση του θορύβου.

Ο κρίσιμος ρόλος των ολοκληρωμένων ADCs στο σύγχρονο RF Front Ends

Οι ολοκληρωμένες ADC επιτρέπουν την ψηφιοποίηση σημάτων RF σε όλο και υψηλότερες ενδιάμεσες συχνότητες (IF) ή και απευθείας στη συχνότητα φορέα. Οι αρχιτεκτονικές δειγματοληψίας RF εξαλείφουν την ανάγκη για πολλαπλά αναλογικά στάδια υποτροπής, μειώνοντας την καταμέτρηση συστατικών και την πολυπλοκότητα τοπικού ταλαντωτή (LO). Για παράδειγμα, ένας σταθμός βάσης 5G μπορεί να δοκιμάσει έναν μεταφορέα 3,6 GHz απευθείας χρησιμοποιώντας ένα 12-bit ADC που τρέχει στα 4,5 GS/s, παρακάμπτοντας την παραδοσιακή αλυσίδα υπερηχοδίου δύο σταδίων. Αυτή η απλούστευση μειώνει τον θόρυβο φάσης, μειώνει τα ζητήματα απόρριψης εικόνας, και επιτρέπει την πλήρη ψηφιακή διαμόρφωση δέσμης με τη φάση ανά στοιχείο και τον έλεγχο πλάτους.

Οι υψηλής ταχύτητας, υψηλής ανάλυσης ADCs είναι οι linchpin. Το [[LPT:0]]LPDDR5[-βασισμένες διεπαφές δεδομένων υποστηρίζουν τώρα ποσοστά μεταφοράς 24 Gbps ανά λωρίδα, επιτρέποντας στα ακατέργαστα δεδομένα του δείγματος να συρρέουν σε FPGA ή ψηφιακούς επεξεργαστές χωρίς στενούς φραγμούς. Οι σύγχρονες ADC επιτυγχάνουν αποτελεσματικό αριθμό bits (ENOB) μεγαλύτερα από 11 bits στα 3 GS/s, παρέχοντας το δυναμικό εύρος που απαιτείται για την ανίχνευση αδύναμων σημάτων δίπλα σε ισχυρούς παρεμβολείς. Το εμπόριο μεταξύ του ρυθμού δειγματοληψίας και της ανάλυσης παραμένει ένα σχεδιαστικό επίκεντρο, με τις διακεκομμένες αρχιτεκτονικές να πιέζουν αθροιστικά ποσοστά μετατροπής πέρα από 10 GS/s, ενώ παράλληλα διατηρούν 8-bit ENOB για εφαρμογές υπερευρείας ζώνης σε χιλιοστό κύμα (mmWave) 5G.

Βασικές παράμετροι ADC για 5G και πέρα

  • Εύρος: Το εύρος ζώνης εισόδου πρέπει να υπερβαίνει τα 10 GHz για την υποστήριξη των υπο-6 GHz και mmWave φορέων χωρίς υποβάθμιση σήματος.
  • Δυναμικό εύρος: Το δυναμικό εύρος χωρίς σπυριά (SFDR) άνω των 80 dBc εμποδίζει την παραμόρφωση της διατροποποίησης από την απευαισθητοποίηση του δέκτη.
  • Απόδοση ισχύος: Το σχήμα της αξίας (FoM) κάτω από 10 fJ/μετατροπή-βήμα είναι απαραίτητο για τις μαζικές συστοιχίες MIMO με εκατοντάδες στοιχεία.
  • Λαχανότητα: Η λανθάνουσα τάση μετατροπής κάτω των 10 ns υποστηρίζει εφαρμογές χαμηλής τάσης όπως η αυτόνομη οδήγηση και ο βιομηχανικός έλεγχος.

Προκλήσεις για την ένταξη και στρατηγικές για την υποκίνηση

Παρά την υπόσχεση, η συν-ενσωμάτωση των ADC υψηλής απόδοσης με RF αναλογικά μπλοκ παρουσιάζει φοβερές προκλήσεις. Η διαχείριση θερμικών υλικών είναι υψίστης σημασίας: ένα 64-κανάλι mmWave dadformer καταναλώνει 1 W ανά στοιχείο παράγει 64 W θερμότητας μέσα σε ένα συμπαγές δομοστοιχείο. Οι interposers σιλικόνης με ενσωματωμένα μικρορευστικά κανάλια ή προηγμένα υλικά θερμικής διεπαφής (TIMS) αναπτύσσονται για να διατηρήσουν θερμοκρασίες σύνδεσης κάτω από 125°C. Οι υδατοψυκτικές ψυχρές πλάκες, κοινές σε σχέδια data center, εμφανίζονται τώρα σε εξωτερικούς χώρους σταθμών βάσης.

Η σύνδεση της απόστασης και του θορύβου είναι εξίσου κρίσιμη. Τα ψηφιακά κυκλώματα που αλλάζουν σε ρυθμούς gigahertz ενίουν θόρυβο μεταγωγής σε ευαίσθητες αναλογικές προμήθειες μέσω του υποστρώματος. Η απομόνωση βαθέων τάφρων, οι δακτύλιοι φύλαξης και οι χωριστοί τομείς ισχύος με ρυθμιστές χαμηλής πτώσης (LDOs) μετριοποιούν αυτό. Τα πρόσφατα σχέδια παραγωγής χρησιμοποιούν πλήρως διαφορικές διαδρομές σήματος και διαφορικά προς διαφορετικά στάδια εισόδου ADC για την καταστολή του θορύβου κοινής λειτουργίας κατά 40 dB ή περισσότερο.

Το jiter του Clock αποσυνθέτει άμεσα το SNR σε υψηλές συχνότητες μεταφοράς. Για ένα φορέα 5 GHz, 100 femtoseconds του RMS jitter περιορίζει το SNR σε περίπου 55 dB. Ενσωματωμένοι βρόχοι φάσης-κλειδώματος (PLLs) με αρχιτεκτονική κλασματικού-Ν και εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας VCOs, συχνά τρέχοντας από εξωτερική αναφορά 10 MHz, επιτυγχάνουν πλέον jitter κάτω από 50 fs σε 28 nm CMOS. Τα εξωτερικά κυκλώματα καθαρισμού ⁇ ολογιού με τη χρήση φίλτρων ακουστικής επιφάνειας (SAW) είναι ακόμα κοινά για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές δορυφορικής επικοινωνίας.

Προηγμένες τεχνικές βαθμονόμησης

Οι ψηφιακοί αλγόριθμοι βαθμονόμησης που τρέχουν σε ενσωματωμένο μικροελεγκτή μπορούν να διορθώσουν συνεχώς διαλείποντας αναντιστοιχίες χωρίς διακοπή της διαδρομής του σήματος. Τα μοντέλα μάθησης μηχανών που εκπαιδεύονται σε μετρούμενα δεδομένα προβλέπουν μετατόπιση και προ-αντιστοιχούν μέσω ψηφιακών βρόχων προδιαμόρφωσης (DPD) βελτιώνοντας τη γραμμικότητα κατά 10 dB σε μια περιοχή 100°C. Αυτές οι τεχνικές έχουν αποδειχθεί από Analog Devices στις τελευταίες τους οικογένειες RF ADC.

Αναδυόμενες Τεχνολογίες και Υλικά

Οι διεργασίες του γερμανίου σιλικόνης (SiGe) BiCMOS προσφέρουν ένα γλυκό σημείο για ολοκληρωμένα άκρα πρόσθιων RF, παρέχοντας ετεροσυνδυασμένα διπολικά τρανζίστορ (HBTs) με fT που υπερβαίνουν τα 300 GHz παράλληλα με CMOS για ψηφιακό έλεγχο. Η SiGe επιτυγχάνει ανώτερη γραμμικότητα και χαμηλότερο θόρυβο τρεμοπαίζει σε σύγκριση με καθαρό CMOS με κόστος υψηλότερης πυκνότητας ισχύος. Το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) σε υποστρώματα πυριτίου χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για τα στάδια ενισχυτή ισχύος πριν από το ADC, χειριζόμενος έως και 50 W εξόδου, διατηρώντας την απόδοση των αποχετευτικών αποχετευτικών συστημάτων άνω του 65% σε συχνότητες mmWave. Το ευρύ εύρος ζώνης του GaN μειώνει τα ρεύματα διαρροής και βελτιώνει τη θερμική αγωγιμότητα, καθιστώντας το ιδανικό για εξωτερικά 5G μικρά κύτταρα.

Φωτονικά σιλικόνης αναδύεται για επικοινωνία μεταξύ chip και όχι για άμεση μετατροπή δεδομένων. Οπτικοί διαμορφωτές υψηλής ταχύτητας και φωτοανιχνευτές ενσωματωμένοι σε υπόστρωμα πυριτίου μπορούν να μεταφέρουν δεδομένα ADC στα 100 Gbps ανά λωρίδα, μειώνοντας τις απώλειες ηλεκτρικών διασυνδέσεων και επιτρέποντας μαζική παραλληλοποίηση. Το 2024, Intel απέδειξε έναν οπτικό σύνδεσμο που μείωσε την ισχύ ανά bit σε 1 pJ, δέκα φορές χαμηλότερο από τις καλύτερες ηλεκτρικές λύσεις.

Η ετερογενής ενσωμάτωση με τη χρήση προηγμένων συσκευασιών (3D στοιβαγμένα IC, interposers, και ενσωματωμένα dies) επιτρέπει τον συνδυασμό των βέλτιστων τεχνολογιών διεργασίας για κάθε μπλοκ: GaN για PA, SiGe για LNA και μίξερ, και προηγμένων CMOS για ADCs και ψηφιακή λογική. Αυτή η προσέγγιση επιταχύνει με την υιοθέτηση των fan-out wafer-level συσκευασίας (FOWLP) από Qualcomm στις 5G μονάδες RF πρόσθιου άκρου, μειώνοντας το πάχος της μονάδας σε λιγότερο από 0,8 mm για ενσωμάτωση smartphone.

Οφέλη Επιπέδου Συστήματος για 5G και Πέρα

Η ενσωμάτωση των υψηλής απόδοσης ADCs με τα μπροστινά άκρα RF επιτρέπει massive MIMO] με 64 ή 128 στοιχεία κεραίας σε ένα μόνο πίνακα βάσης. Κάθε στοιχείο μπορεί να ψηφιοποιηθεί ανεξάρτητα, επιτρέποντας την ψηφιακή δέσμη που διαμορφώνει για να δημιουργήσει πολλαπλές ταυτόχρονες δέσμες που εξυπηρετούν διαφορετικούς χρήστες. Αυτή η χωρική πολλαπλασιαστική ικανότητα κυττάρων πολλαπλασιάζονται κατά 4x έως 8x σε σύγκριση με αναλογικό σχηματισμό δέσμης.

Για την συσσώρευση καρριέ σενάρια, μια ενιαία ολοκληρωμένη μονάδα RF-ADC μπορεί να ψηφιοποιήσει έως οκτώ φορείς συστατικών που διαδίδονται ταυτόχρονα σε υπο-6 GHz και mmWave ζώνες. Προηγμένα ψηφιακά down-converters (DDCs) εντός του ADC παρέχουν ευέλικτο φιλτράρισμα καναλιών και μετάφραση συχνότητας, εξαλείφοντας πολλαπλά αναλογικά downconverters. Αυτό μειώνει το κόστος των χρεώσεων υλικών κατά 30% σε σταθμούς βάσης 5G NR σύμφωνα με πρόσφατες αναλύσεις της βιομηχανίας.

Μελλοντικές οδηγίες: Πέρα από 5G σε 6G

Οι ρυθμοί δειγματοληψίας ADC θα πρέπει να υπερβαίνουν τα 100 GS/s με ανάλυση τουλάχιστον 8-bit για τη σύλληψη του στιγμιαίου εύρους ζώνης πολλαπλών GHz. ]Οι ρυθμοί δειγματοληψίας ADC που χρησιμοποιούν εκατοντάδες υπο-ADC με βαθμονόμηση έχουν επιδείξει 64 GS/s σε ερευνητικά πρωτότυπα, αλλά η κατανάλωση ισχύος παραμένει πάνω από 5 W ανά μετατροπέα ⁇ απαράδεκτος για τον εξοπλισμό χρήστη. Φωτονικά ενισχυμένα ADC αρχιτεκτονικές που χρησιμοποιούν οπτική δειγματοληψία για τη μείωση του jitter και την επέκταση του εύρους ζώνης θα μπορούσαν να σπάσουν το φράγμα ισχύος, μετατρέποντας οπτικούς παλμούς απευθείας σε ψηφιακές λέξεις μέσω μιας σειράς συγκρίσεων. Αρκετά πανεπιστημιακά εργαστήρια έχουν δείξει απόδειξη της αντίληψης σε 200 G/S με υπο- 10 fJ ανά βήμα.

Αναδιαμορφώσιμα μπροστινά άκρα RF[ με χρήση παθητικών συντονίσεων (σιδηροηλεκτρικά υλικά, διακόπτες MEMS) και βαθμονόμησης που ορίζονται από το λογισμικό θα επιτρέψει σε μια ενιαία πλατφόρμα υλικού να υποστηρίξει 4G, 5G, Wi-Fi 7, και μελλοντικές ζώνες 6G χωρίς σιλό συνόλων τσιπ. Ενσωματωμένες ADC με ενσωματωμένο αυτοέλεγχο (BIST) και με βάση τη μάθηση μηχανών θα ρυθμίσουν αυτόματα το κέρδος, τη γραμμικότητα, και το φιλτράρισμα στις περιβαλλοντικές συνθήκες, απλοποιώντας δραματικά την ανάπτυξη και συντήρηση του δικτύου.

Η συμβολή των προηγμένων διεργασιών πυριτίου, της νέας συσκευασίας και της βαθμονόμησης με γνώμονα την AI οδηγεί σε μια αλλαγή παραδείγματος στον σχεδιασμό του RF. Οι ολοκληρωμένες ADC δεν αποτελούν πλέον μια δεύτερη σκέψη αλλά το κεντρικό στοιχείο που επιτρέπει τις ψηφιακές συστοιχίες κεραιών και τα ακραία εύρος ζώνης των αυριανής ασύρματων δικτύων. Όπως Ericsson σημειώνει στο λευκό χαρτί σχεδιασμού 6G, η μετάβαση σε μια διεπαφή ψηφιακής κεραίας με ενσωματωμένους μετατροπείς αναμένεται να είναι ένα καθοριστικό χαρακτηριστικό της διεπαφής αέρα επόμενης γενιάς. Τα επόμενα πέντε χρόνια θα δουν αυτές τις τεχνολογίες να μετακινούνται από τα ερευνητικά εργαστήρια στην παραγωγή όγκου, μεταμορφώνοντας τον τρόπο σύνδεσης μας.