ISSCC 2021上的重要5G和雷达芯片
2021-02-17
14:00:35
来源: 半导体行业观察
IEEE国际固态电路大会（ISSCC）是模拟和数字最新芯片开发电路的全球展示。每年的这个时候每年举行一次，通常会在旧金山举行，使工程师可以相互交流，交流和学习。希望只有今年，ISSCC才能实现虚拟化。
ISSCC的一项新功能是邀请来自半导体公司的论文，这些公司最近创建了重要的IC。在2021年，选定的主题是：5G和雷达系统以及数字处理IC，拥有5G和雷达系统芯片的受邀公司有：
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模拟设备（5G无线电）
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德州仪器（汽车雷达）
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英飞凌与Google（GHz手势识别）
其中最不寻常的演示是将Google内置于其Pixel 4手机中的60GHz“ Soli”雷达上的盖子揭开，以检测特写手势并接近人类–后者位于前方5m范围内，在+/- 80deg范围内为800mm两个轴。
它由一个发射通道和三个接收通道组成，每个通道都在5 x 6.5mm封装的顶部内部具有自己的谐振贴片天线-它足够小，可以内置在手机的边框中。
ISSCC2021-paper-2.3-Infineon-Google
它的天线被切成四层金属叠层封装的顶层（如上图），馈线位于其下层。战略性地使用贯穿整个板的通孔和顶层的切口可以将收发隔离度提高到20dB以上。
尽管它们具有薄的非金属性质，但电话外壳中的玻璃，塑料和粘合剂层仍会严重影响传播。“设置接收机增益时，必须考虑从天线罩材料反射回来的能量，因为这通常是在接收机输入端看到的最强信号，但是由于其静态特性，可以在我们的信号处理管道中将其消除。”在ISSCC 2021第2.3节上向英飞凌致敬。“最具挑战性的用例之一是以半球形模式检测手机0.8m以内的用户的存在。”
架构为FMCW（调频连续波），其输出由ΔΣ小数N分频PLL产生，时钟频率为80MHz。天线驱动器> 5dBm。接收通道围绕高线性度低噪声混频器构建（P-1dB优于-5dBm（典型值），NFssb优于12dB（典型值）。在进一步调节之后，模拟接收信号链以多通道4Msample / s 12bit SAR结束ADC和存储器对其进行缓冲，以进行片外数字处理。
信号之间的同步和相位噪声很重要。英飞凌表示：“雷达传感器在范围多普勒域中抑制静态目标的能力代表了雷达传感器系统抖动的典型品质因数。” “在使用Soli的情况下，静态目标被抑制超过40dB。”
该芯片是由英飞凌在0.13μmBiCMOS中制成的。峰值功率从1.8V起小于400mW，通过占空比和其他技术将其降低到5mW，以进行状态检测。
ADI公司的贡献是针对5G通信的24至30GHz mmW无线电的详细信息。尤其是，一个2 x 8通道波束形成器，在3％EVM（误差矢量幅度）和21dBm P1dB时具有12dBm /通道的线性输出功率–使用45nm射频绝缘体硅工艺在300mm晶圆上构建。
毫米波5G通讯需要波束形成器，因为使用定向通信来增加有限分配频谱段中的带宽。ADI公司展示了这些波束形成芯片中的16种，它们组合在一起以驱动8 x 16相控阵的双极化元件。
需要校准以使任何两个天线激励之间的相位差小于5°。在这种情况下，需要执行两个步骤：在工厂中，将增益和相位系数存储在非易失性存储器中的芯片上，然后使用来自阵列探针的反馈构造PCB之后，再进行依赖于信号链的更正表面–不需要远场测量。
它采用倒装芯片BGA封装，并基于具有9个金属层的45nm块状CMOS构建，一种设计用于成组用于76 – 81GHz FMCW汽车雷达，而第二种则添加了集成封装的天线，并且打算单独用于60GHz工业传感。
晶体管已经过优化。TI在会议2.2中说：“毫米波CMOS电路设计的关键挑战是，由于器件的Fmax低，因此每级的可用增益低。” “在金属含量较低的情况下，优化指状宽度和栅极歧管布线可降低栅极电阻，与第一代电路中使用的器件相比，Fmax降低25％。”
功能模块包括FMCW合成器，该合成器在1MHz偏移时达到-95dBc / Hz的相位噪声，并支持高达266MHz /μs的5GHz斜坡。TI表示：“在相同的斜坡带宽下，较高的斜坡速率可实现更高的最大明确速度，而不会影响量程分辨率。”
为了集成天线，该公司使用了一种无模具的，未安装的芯片级倒装芯片封装，其天线位于15 x 15mm BGA的顶部，而60GHz的管芯则位于其下方。发射和接收天线是背腔的E形贴片。TI说：“与基板集成的背面腔有助于抑制电磁场，并避免激发封装中的基板模式。” 在天线附近使用“电磁带隙”结构阵列，以提高隔离度以及辐射方向图的均匀性。
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