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射频、微波应用爆发,ADI多种半导体技术支持创新
录入时间:2020/3/19 15:32:32

随着5G通信、自动驾驶和物联网等应用的落地,射频与微波应用呈爆发式增长的态势,而背后的“功臣”是创新的半导体材料和工艺技术的不断进步,实现各种频率下无线电磁波低功耗、小尺寸和高可靠性的传输。特别是全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、高频谱效率3大基础性能要求都对器件原材料、制造工艺与性能指标有了更高的要求。

ADI在构建从数字到模拟这座技术桥梁时,不断拓展其边界,通过创新使得更多应用找到关键支撑,增加模拟和数字之间的转换能力,而且通过一系列收购,加强对化合物半导体的驾驭能力,让ADI拥有了全频谱解决方案的能力,可以做到0GHz到110GHz频谱范围内的支持,有完整的产品系列来支撑客户相关的产品开发。

ADI能够实现的全频谱解决方案

扩展ADC采样带宽以突破X波段频率

5G对设备运营商提出了新的挑战,因为5G技术和4G有很大不同,包括空口技术、编码技术,以及后面的基带等。最直接的挑战是频谱扩展,之前频段一般集中在2GHz、2.7GHz以下,新的5G频段有3.5GHz频段、4.9GHz频段等,因此设备商要提供新的产品来覆盖这些频段。

值得一提的是,更宽的频谱对ADC本身的内部采样保持器提出了更多挑战,因为它通常未针对超宽带操作进行优化,而且ADC一般带宽有限,在这些更高模拟带宽区域中其高频线性度/SFDR会下降。因此,在ADC前面使用单独的保持放大器(THA)来拓展模拟带宽成为了一个理想的解决方案,如此便可在某一精确时刻对频率非常高的模拟/RF输入信号进行采样。

ADI的THA系列产品可以在18GHz带宽范围内提供精密信号采样,在DC至超过10GHz的输入频率范围内具有9到10位线性度、1.05mV噪声和<70fs的随机孔径抖动性能。以HMC661和HMC1061系列器件为例,其可以实现4GSPS工作性能,动态范围损失极小,这些跟踪保持放大器可用于扩展高速模数转换和信号采集系统的带宽和/或高频线性度。

28nm CMOS工艺领衔射频技术创新

为了满足全频谱覆盖能力,业界努力探索各种创新的半导体材料和工艺技术,然而CMOS独特的低功耗、高集成度的优势仍然在无线通信领域大有可为,通过技术和工艺创新推出的相关无线解决方案依然不时有亮眼的表现,特别是ADI先后推出多款基于创新的28nm CMOS工艺的高性能产品特别值得一提。

不久前ADI便推出一款混合信号前端 (MxFE™) RF 数据转换器平台,该平台结合了高性能模拟和数字信号处理功能,适用于一系列无线设备,例如4G LTE和5G毫米波 (mmWave) 无线电。AD9081和AD9082 MxFE器件分别集成了8个和6个RF数据转换器,采用28 nm CMOS工艺技术制造,均实现了业界最宽的瞬时信号带宽 (高达2.4 GHz),由于减少了频率转换级的数量和放宽滤波器要求,从而简化硬件设计。与其他器件相比,这些更高集成高度的器件通过减少芯片数量来解决无线设备设计人员面临的空间限制问题,使得印刷电路板 (PCB) 面积缩小60%。新型 MxFE 平台还支持无线运营商为其蜂窝塔增加更多天线,以满足新兴mmWave 5G的更高无线电密度和数据速率要求。

此外,ADI还推出了三款独特的28nm CMOS工艺产品组合,包括双通道 3.0 GSPS 模数转换器AD9208、双通道16位12 SPS AD9172与14位四通道500MSPS模数转换器AD9694,可实现极高的带宽和动态范围,覆盖1.4GHz到12GHz的信号频段数,并保持卓越的线性度和噪声性能。与当前其他解决方案相比,基于CMOS技术在带宽、功耗和动态范围关键性能上发挥重要作用,而这些器件应用非常广泛,包括当前热门的4G/5G 多频段无线通信基站、航空电子、雷达、汽车ADAS等等。

向更高频率和更宽带宽发展,多种半导体工艺拓展性能边界

前面提到的28nm CMOS创新工艺实现了微波高性能技术方案,但事实上在更高功率和更高频率下业界均在寻求更好的替代解决方案,特别是随着高工作电压IC技术需要新的材料工艺。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压(2V至3V),但其集成优势非常有吸引力。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压,多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基LDMOS技术的工作电压为28 V,已经在电信领域使用了许多年,但其主要在4GHz以下频率发挥作用,因此在宽带应用中的使用并不广泛。而新兴GaN技术的工作电压为28V至50V,拥有低损耗、高热传导基板(如碳化硅,SiC),开启了一系列全新的可能应用。

对微波相关半导体技术,ADI无疑选择了“全面开花”——无论是GaN还是GaAs或者是SiGe等半导体材料,ADI都有相关的技术和产品推出,如HMC994/998/907/797系列GaAs类的PA产品,最大的特点是可以从从0 Hz到30 GHz的信号和带宽放大。而前面提及的HMC661LC4B就是一款采用SiGe的单芯片全差分、采样保持器。GaAs是过去20年微波通信的主要技术,硅LDMOS在窄带应用方面很有优势,但主要限于4GHz以下的频率。GaN等全新半导体材料的出现开启了实现覆盖宽带宽的更高功率水平的可能性。

微波频率范围功率电子设备的工艺技术对比

ADI利用GaN技术生产高度差异化的射频和微波功率放大器,这使ADI的产品能够达到更高的输出功率水平,提高效率,并扩展频率带宽。HMC1099LP5DE就是一个很好的例子,它是一款GaN 10 W功率放大器,覆盖10 MHz到1100 MHz的频率范围,具有50Ω匹配RF输入和RF输出端口。当Psat大于10 W时,它提供约70%的PAE,它可以连续运行或脉冲式运行,适合大多数一般应用。

ADI推出的另一款标准产品HMC8205BF10,它基于GaN技术,具有高功率、高效率和宽带宽。该产品的工作电源电压为50 V,在35%的典型频率下可提供35 W RF功率,带20 dB左右的功率增益,覆盖几十种带宽。这种情况下,相比类似的GaAs方案,只需要一个IC就能提供高出约10倍的功率。在过去数年,这可能需要复杂的GaAs芯片组合方案,并且无法实现相同的效率。该产品展示了ADI如何使用GaN技术实现各种可能性,包括覆盖宽带宽,提供高功率和高效率。

从数字信号到毫米波信号,不同优势的半导体工艺技术覆盖了整个信号链。

小结

当前应用广泛的射频微波通信领域信号链涉及到很多材料技术的“跨界”应用,无论是汽车微波雷达还是5G 微波通信,需要射频微波半导体技术方案提供商进行全面的技术路线布局,例如低频部分的数字和转换器用CMOS工艺,像变频器这些器件会用一些SiGe工艺,然后到靠天线这个地方再用砷化镓或者氮化镓的工艺。而像ADI这样少数方案提供商所拥有“全频谱”能力,在整个射频和微波、毫米波上的布局能够满足不同领域的应用,无论是3G、4G通信和5G毫米波、微波通信,又或是太空探测领域,以及77GHz汽车雷达等,长期持久的研发经验将帮助未来在各领域应用中找出新的机遇。


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