代工大佬们不断挖掘摩尔定律极限的竞赛,不断刷屏半导体业界的朋友圈——前不久三星电子宣布规划7纳米工艺;而台积电已经将7纳米锁定胜局,并提前布局5纳米……与代工厂在数字芯片的工艺上争先恐后深挖更低的工艺尺寸的竞赛不同的是,传统的模拟技术的工艺技术敏感度却不尽相同,但他们同样在另外一个维度展开了竞争。

其中高性能模拟技术的头号提供商ADI的动向似乎值得关注——该公司在过去一年多的时间内,将目光集中到业界领先的28纳米CMOS工艺的产品研发上,并推出了多款性能指标领先的产品:

2017年2月,ADI宣布推出自动驾驶领域的技术平台Drive360,强调了首家以先进的28nm CMOS工艺为基础提供汽车RADAR技术的公司;

2017年5月,推出28纳米高速CMOS模数转换器AD9208,瞄准下一波宽带软件定义系统; 同期,28纳米高速数模转换器系列AD9172发布,目标是4G/5G多频段无线通信基站和2 GHz E-band微波点对点回传平台千兆赫兹带宽应用的需求。

28nm CMOS工艺创新下的“指标党”

热爱追求极致性能的工程师常被称为指标党,而模拟技术是典型的盛产“指标党”的领域,其中射频和微波技术尤甚。而ADI的28nm CMOS工艺则重点集中到了射频、微波应用,ADI官网中有一个专门的版面——“高速转换器:针对28nm CMOS的创新”。让我们看下这几款基于28 nm CMOS技术“指标党”,如何使射频微波应用中的高速ADC/DAC在带宽、功耗和动态范围上走向极致。

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双通道 3.0 GSPS 模数转换器AD9208 据称在大大降低功耗(功耗降低约50%)的同时可实现极高的带宽和动态范围,覆盖最多的信号频段数,具有适用于分集射频接收和I/Q解调系统所需的低噪声频谱密度的特点。几个重要指标如下——输入通道的最大复用数据输入速率 1.54 GSPS;双音互调失真 (IMD) = 1.8 GHz 时为 −83 dBc,−7 dBFS/音调 RF 输出;无杂散动态范围 (SFDR) <−1.8 GHz 时为 80 dBc,−7 dBFS RF 输出;灵活的8线、15.4Gbps JESD204B 接口。

双通道、16位、12 SPS AD9172 可提供高达6GHz的直接RF信号合成,省去了IF至RF的上变频级和LO生成。这样可简化整体RF信号链,同时降低系统总成本。AD9172能在这些RF频率上保持卓越的线性度和噪声性能,为系统架构师提供最高水平的可配置性。这些特性和功能配置同样值得关注:每个 RF DAC具有3个可旁路复用数据输入通道,每个输入通道具有 1 个独立的 NCO;每个输入通道的最大复用数据输入速率达 1.54 GSPS;灵活的 8 线、15.4 Gbps JESD204B接口;专用的低杂散和失真设计使双音互调失真在1.8GHz时为−83 dBc,−7 dBFS/音调RF输出;无杂散动态范围 小于 −1.8 GHz 时为80dBc,−7 dBFS RF 输出。

CMOS18011502 ADI汽车安全安全部门工程师Peter Ross演示76-81GHz汽车雷达技术平台

14位四通道500MSPS模数转换器AD9694 该器件具有片内缓冲器和采样保持电路,确保实现较低的功耗、较小的封装尺寸和出色的易用性。该器件经过专门设计,适合对高达 1.4 GHz 带宽的模拟信号进行采样。AD9694 经过了全面优化,采用小巧紧凑的封装,可以提供宽泛的输入带宽、快速的采样速率、卓越的线性度以及较低的功耗。

上面三款产品在宣传中都强调了基于28 nm CMOS工艺技术,毫无疑问ADI在28nm CMOS工艺上的制造优势对这些RF转换器在带宽、功耗和动态范围关键性能上发挥重要作用,以及覆盖最多的信号频带。而这些器件应用非常广泛,包括航空电子、雷达、汽车ADAS、无线基础设施等等,而汽车ADAS雷达应用则是ADI宣传中的重点,特别是其Drive360平台,强调雷达围绕其领先的28nm CMOS技术构建。

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28nm CMOS技术下构建的汽车雷达系统

ADI早在2017年的消费电子展(CES)上就已推出了其28nm CMOS技术下构建的汽车雷达系统(Drive360平台),并在展会期间演示了基于该平台的demo的雷达功能,首次向业界展示了该平台的数字信号处理集成上的灵活性。

目前该平台并无更多的资料公开,采用的具体器件型号不得而知,但在该公司的视频演示资料中表明了该平台实现了分集无线电和I/Q解调系统的宽瞬时带宽数据采集,同时具有高动态范围、低频谱噪声密度和低功耗特点,采样率和模拟输入带宽能够为汽车雷达应用提供直接的RF信号处理架构。ADI工程师认为“集成数字下变频器能够以更低的功耗和成本实现信号处理,能够在相同的功耗下合成比竞争者多2倍以上的带宽”。

按照ADI汽车安全安全部门的Peter Ross的介绍,基于28 nm RF CMOS汽车雷达解决方案的demo系统具备了“超高性能、高集成度和更高的可扩展性,可以从短距离雷达解决方案一直扩展到超高端、250m长距离雷达系统,适合安装在未来ADAS和自主驾驶车辆上”,重点强调了解决方案的灵活性和可扩展性以及小尺寸的特点。

CMOS18011504 Peter Ross表示最终实现的汽车雷达方案尺寸可以更小。

“本方案已经过验证,性能优越,具有最出色的相位噪声和输出功率能力。” Peter Ross表示,“现在我们可以根据需要扩展发射通道和接收通道数量,基于我们的CMOS技术平台产品将具有超高的可扩展性,从集成天线选项和处理功能的短距离应用,一直扩展到超高端、250 m长距离雷达系统。”事实上,利用RF CMOS方案支持200-250m的长距离在以前是不可想象的,ADI在其28nm CMOS RF方案平台的输出功率能力帮助实现了这样的高性能应用,从而覆盖短距离到长距离的各类应用。“最终的雷达传感器大概是这般大小,将它装在汽车的多个位置中,基于雷达传感器提供360度环视。” Peter Ross表示的尺寸大概不到其手掌的三分之一大小,包括电源在内的完整雷达方案。

模拟工艺竞赛,不仅仅是28nm CMOS

在近日开幕的CES2018上,ADI再次将创新型高度集成式28nm CMOS雷达解决方案系统作为了其汽车电子解决方案的主角,今年有哪些独特性能表现目前不得而知,不过从该公司透露的信息来看,“将角分辨率指数级升高以支持高度自动化的驾驶应用”无疑是最大看点。

值得一提的是,工艺的竞争绝对不是数字半导体厂商和制造代工厂的“专利”,最近今年全球领先模拟技术提供商也在拼工艺。就ADI而言,除了在28nm CMOS工艺上陆续做文章,还投资于多种制造工艺,包括氮化镓(GaN)、高级SiGe,力图从工艺技术上提高性能和集成度,并不断缩小产品尺寸。