Еволюція архітектури Фронт-Енд

Частота радіо (RF) переднього кінця була витка в продуктивності бездротової системи. Традиційні конструкції виділяють окремі кожну функцію—фільтрування, посилення, змішування та перетворення — в розрізнених, дискретних компонентів. Цей сегментаційні сили торгують між шумоподібними, лінійними та споживаними потужністьми, а також вимагають щільного імпедансування, що відповідає та обережне планування дошки, щоб мінімізувати параситичні ефекти. Для 4G LTE систем з пропускними смугами каналу до 20 МГц, ці підходи були працездатними, але 5G NR вводить перепади пропускної здатності з пропускними смугами, що перевищують 100 МГц і пікові ставки, вимірені в гігабітах на другий. аналоговий ланцюг стає все більш ламною частотою частотою.

Інтеграція декількох функцій на один силіконовий штамп або в рамках одного пакета стала домішкою. Системно-на-чип (СоК) і системно-пакування (СіП) підходи тепер об'єднує низьконезольні підсилювачі (ЛНА), низковертери, стадії змінного набору, а аналогово-цифрові перетворювачі (АДК) на одному підкладці. Ця інтеграція усаджує фізичне відбитки на більш ніж 50% порівняно з дискретними виконаннями при зменшенні міжступеневих втрат і підвищення продуктивності шуму. Ключовим увімкувачем є драматичне поліпшення швидкості та роздільної здатності, що дозволяє більш детально переміщатися до аналогових.

Критична роль інтегрованих АСД в сучасних фазових кінцях РФ

Вбудовані ADCs дозволяють RF сигнали, які можна оцифровувати на більш високих проміжних частотах (IF) або навіть безпосередньо на частоті носія. Прямі розміри відбору RF дозволяють усунути необхідність декількох аналогових етапів зведення, зменшення кількості компонентів та місцевого коливань (LO) складності. Наприклад, базова станція 5G може проявитися 3,6 ГГц перевізника безпосередньо за допомогою 12-бітного ADC, що працює на 4.5 GS / с, обходячи традиційний двоступінчастий надгеродин ланцюг. Цей спрощення знижує фази шуму, зменшує проблеми відхилення зображень, і дозволяє повністю цифровий промінь з перекриттям і ампули управління.

Високошвидкісні, високорозрядні ADCs є Linchpin. LPDDR5] інтерфейси даних на основі даних тепер підтримують передачу 24 Gbps на провулок, що дозволяє сирим зразкам даних для потоку до FPGA або цифрових процесорів без пляшок. Сучасні ADCs досягають ефективної кількості біт (ENOB) більше 11 біт на 3 GS / с, що забезпечує динамічний діапазон, необхідний для виявлення слабких сигналів, що прилягають до сильного заважання. Трейд-оф між частотою відбору та роздільною здатністю залишається фокусом дизайну, з таймерами підтримки 8W

Параметри ADC для 5G і за межами

  • Bandwidth:] пропускна здатність повинна перевищувати 10 ГГц для підтримки суб-6 ГГц і ммДеградація носіїв без сигналу.
  • Динамік: Spurious-Free динамічний діапазон (SFDR) над 80 дБк запобігає спотворенню міжмоделювання від десенсибілізації ресивера.
  • Ефективність живлення: Рисунок подразнення (FoM) нижче 10 fJ / conversion-step необхідний для масивів MIMO з сотнями елементів.
  • Latency: Перетворення затримки під 10 ns підтримує низькопрофесійні додатки, такі як автономне управління та промислове управління.

Стратегії інтеграції та міграції

Незважаючи на обіцянку, співінтегруючи високопродуктивні ADCs з аналоговими блоками RF представлені длясередні виклики. Thermal management є параmount: 64-канальний ммWave пучка, споживаючи 1 Вт на елементі, виробляє 64 Вт тепла в компактному модулі. Силіконові інтерпозитори з вбудованими мікрофлюїдними каналами або передовими тепло інтерфейсними матеріалами (TIMs) розгортаються для підтримки температури з'єднання нижче 125°C. Водозварені холодні пластини, поширені в дизайнах центру даних, зараз з'являються в зовнішніх базових застібках.

Лінія та шумоу є однаково критичними. Цифрові схеми, що переходять на рівні Gigahertz, вводять шум у чутливі аналогові поставки через субстрат. Глибока траншея ізоляції, захисні кільця та окремі домени живлення з низькорослими регуляторами (LDOs) пом'якшують це. Останні виробничі конструкції використовують повністю диференціальні сигнальні доріжки та диференціально-до-диференціальні ADC вхідні стадії, щоб пригнічувати загальний шум 40 dB або більше.

Clock jitter] безпосередньо degrades SNR на високих частотах носія. Для 5 ГГц перевізника, 100 femtoсекундів RMS jitter лімітів SNR до приблизно 55 dB. Вбудовані фазоблоковані петлі (PLLs) з дробовою-N архітектурою і ультра-низькі jitter VCOs, часто ходять з зовнішньої 10 МГц посилання, тепер досягають джиттера нижче 50 fs в 28 нм CMOS. Зовнішні годинникові схеми очищення з використанням поверхневої акустичної хвилі (SAW) фільтри все частіше зустрічаються для найбільш затребуваних супутникових додатків зв'язку.

Розширені методи калібрування

Модулі виробництва та температурний дрейф може викликати помилки отримання, відкидати невідповідності, які деградують продуктивність АЦП. Аналоги калібрування, що працюють на вбудованому мікроконтролері, постійно регулюють напругу ADC, часові шавлії та введення. Адаптивне сліпе калібрування] з використанням фонового шумоооооодіагностування може виправити взаємопов'язуючи неперерваючи сигналу [F2 метод]. Ці моделі машинного навчання, що навчаються на вимірюваних даних, прогнозування температурно-індукованих дрейф та попередньо дозуються через цифровіляційні петлі цифрового призначення (DPDD3, поліпшення лінійності 10 dl RF3 через 100°C [F2]

Технології та матеріали

Силіконовий німецький (SiGe) БіКМОС-процеси пропонують солодке місце для інтегрованих фронтових ендів RF, що забезпечують гетеронез'єднання біполярних перетворювачів (HBTs) з fT, що перевищує 300 ГГц поряд з CMOS для цифрового контролю. SiGe досягає високої лінійності та нижнього шуму флікера у порівнянні з чистими CMOS за вартістю більш високої щільності потужності. Галій нітрид (GaN) на силіконових підкладках все частіше використовується для тестування потужності, перш ніж ADC, що працює до 50 Вт при підтримці зливної ефективності вище 65% на мм Вт. Широкий зв'язк G

Silicon photonics є з'являються для міжхилого зв'язку, а не прямого перетворення даних. Високошвидкісні оптичні модулятори та фотодетектори, інтегровані на силіконовій субстраті, можуть перенести дані ADC на 100 Gbps на провулку, зменшуючи втрати електричних взаємозв'язків і дозволяють масивну паралелізацію. У 2024 Intel показали оптичне посилання, що зниження потужності на біт до 1 pJ, десять разів нижче кращих електричних рішень.

Гетерогенна інтеграція з використанням розширеної упаковки (3D стекламі ICs, інтерпосів, вбудованих штампів) дозволяє поєднувати найкращі технологічні технології для кожного блоку: GaN для PA, SiGe для LNA і змішувача, а також розширені CMOS для ADCs і цифрової логіки. Цей підхід прискорюється з прийняттям вафельного вафельного рівня упаковки (FOWLP) Qualcomm] в своїх модулях переднього входу 5G RF, зменшення товщини модуля до 0.8 мм для інтеграції смартфона.

Системні переваги для 5G і за

Інтеграція високопродуктивних ADCs з передовими торцями RF дозволяє масивний MIMO з 64 або 128 антенами в одній базовій панелі. Кожен елемент можна розшифрувати самостійно, дозволяючи цифровим променям створювати декілька одночасних променів, які служать різним користувачам. Цей просторовий багатоплексний багатошаровий місткість 4х до 8х у порівнянні з аналоговим променевим. Протилежність від перетворення до променевого коефіцієнта оновлення краплі нижче 1 мікросекунд, що підтримує цілодобовий промінь відстеження для користувачів високої мобілізації.

Для carrier aggregation сценарії, єдиний інтегрований модуль RF-ADC може оцифровувати до восьми складових перевізників, що знаходяться в одночасному режимі. Розширені цифрові низ-конвертери (DDC) в рамках ADC забезпечують гнучкий канал фільтрування і частотний переклад, що виключає кілька аналогових знімків. Це зменшує витрати на білково-матеріали на 30% в 5G NR відповідно до останніх галузевих аналізів.

Напрями майбутнього: За 5G в 6G

У зв'язку з 6G, очікується, що робота в діапазоні суб-THz (100–300 ГГц), виклики стають крутими. Тарифи відбору проб АСД повинні перевищувати 100 GS / с принаймні 8-бітної роздільної здатності для захоплення багато ГГц миттєвої пропускної здатності. Time-interleaved ADCs, що використовує сотні суб-ADCs з калібруванням, показали 64 GS / с у дослідницьких прототипах, але споживання енергії залишається вище 5 Вт за конвертер – неприпустимо для користувача обладнання. Фотонічні перетворювачі з цифровим ЦП

Реконфігуровані передні кінці RF з використанням ручних пасивів (фероелектричних матеріалів, вимикачів MEMS) та програмно-розрахункових калібрувань дозволить єдиний апаратний майданчик для підтримки 4G, 5G, Wi-Fi 7, а також майбутнього 6G смуг без наборів на струганих чіпів. Вбудовані ADCS з вбудованим самотестом (BIST) та машинним навчанням на основі машини автоматично регулюватимуть наростання, лінійність та фільтрування до умов навколишнього середовища, різко спрощуючи розгортання мережі та обслуговування.

Здатність передових кремнієвих процесів, нова упаковка, а також калібрування AI-накопичувача є переходом парадигми в конструкції фронт-енду RF. Вбудовані ADCs більше не є післясум, але центральний елемент, який дозволяє цифровим антенам масивів і екстремальних смугових смугах бездротових мереж завтра. Як Ericsson примітки в їх 6G радіопроект білого паперу, переміщення до всіх цифрових антенних інтерфейсів з інтегрованими перетворювачами очікується, що визначення характеристика інтерфейсу наступного покоління. Наступні п'ять років будуть бачити ці технології, що переміщаються з досліджень, що з'єднуємо обсяги виробництва, щоб трансформувати виробництво, як