РЧ КМОП

Технология интегральных схем, объединяющая радиочастотную, аналоговую и цифровую электронику

Снимок кристалла Broadcom BCM2050KMLG, чипа RF CMOS, используемого в качестве приемопередатчика WiFi 802.11g . ^[1] Обратите внимание на восьмиугольные, спиралевидные структуры, которые могут действовать как индукторы ^[2] трансформаторы и симметрирующие устройства . ^{[3] [4] [5]}

Снимок матрицы WiFi-трансивера Marvell 88W8010 802.11g. Он имеет как восьмиугольные, так и квадратные, спиральные структуры, которые также могут использоваться в качестве индукторов. ^[6]

RF CMOS — это технология интегральных схем (ИС) металл-оксид-полупроводник (МОП) , которая объединяет радиочастотную (РЧ), аналоговую и цифровую электронику на чипе РЧ-схемы смешанного сигнала CMOS (комплементарная МОП) . ^{[7] [8]} Она широко используется в современных беспроводных телекоммуникациях , таких как сотовые сети , Bluetooth , Wi-Fi , GPS-приемники , вещание , автомобильные системы связи и радиопередатчики во всех современных мобильных телефонах и беспроводных сетевых устройствах. Технология РЧ КМОП была впервые разработана пакистанским инженером Асадом Али Абиди в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в конце 1980-х — начале 1990-х годов и помогла осуществить беспроводную революцию с введением цифровой обработки сигналов в беспроводную связь. Разработка и проектирование устройств РЧ КМОП стали возможны благодаря модели шума FET RF Ван дер Зиля , которая была опубликована в начале 1960-х годов и оставалась в значительной степени забытой до 1990-х годов. ^{[9] [10] [11] [12]}

История

Асад Али Абиди разработал технологию RF CMOS в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в конце 1980-х — начале 1990-х годов.

Пакистанский инженер Асад Али Абиди , работая в Bell Labs , а затем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 1980–1990-х годах, был пионером радиоисследований в области технологии металл-оксид-полупроводник (МОП) и внес основополагающий вклад в архитектуру радио, основанную на технологии коммутируемых конденсаторов (SC) на основе комплементарных МОП (КМОП) . ^[13] В начале 1980-х годов, работая в Bell, он работал над разработкой технологии субмикронных МОП-транзисторов (МОП-полевых транзисторов) СБИС (сверхбольшой масштабной интеграции ) и продемонстрировал потенциал технологии субмикронных МОП- интегральных схем (ИС) в высокоскоростных коммуникационных схемах . Работа Абиди изначально была встречена скептически сторонниками GaAs и биполярных транзисторов , доминирующих технологий для высокоскоростных коммуникационных схем в то время. В 1985 году он присоединился к Калифорнийскому университету в Лос-Анджелесе (UCLA), где он был пионером технологии RF CMOS в конце 1980-х — начале 1990-х годов. Его работа изменила способ проектирования схем RF , отойдя от дискретных биполярных транзисторов и перейдя к интегральным схемам CMOS . ^[14]

Абиди исследовал аналоговые КМОП-схемы для обработки сигналов и связи в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в конце 1980-х — начале 1990-х годов. ^[14] Абиди вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Дж. Чангом и Майклом Гаитаном продемонстрировал первый усилитель RF CMOS в 1993 году . ^{[15] [16]} В 1995 году Абиди использовал технологию коммутируемых конденсаторов CMOS для демонстрации первых приемопередатчиков прямого преобразования для цифровой связи . ^[13] В конце 1990-х годов технология RF CMOS получила широкое распространение в беспроводных сетях , поскольку мобильные телефоны начали широко использоваться. ^[14] Это изменило способ проектирования радиочастотных схем, что привело к замене дискретных биполярных транзисторов интегральными схемами CMOS в радиопередатчиках . ^[14]

К концу 20-го века произошел быстрый рост телекоммуникационной отрасли , в первую очередь из-за внедрения цифровой обработки сигналов в беспроводную связь , обусловленной разработкой недорогой, сверхбольшой интеграции (VLSI) RF CMOS технологии. ^[17] Это позволило создать сложные, недорогие и портативные терминалы конечного пользователя и дало начало небольшим, недорогим, маломощным и портативным устройствам для широкого спектра беспроводных систем связи. Это позволило осуществлять связь «в любое время и в любом месте» и помогло осуществить беспроводную революцию , что привело к быстрому росту беспроводной индустрии. ^[18]

В начале 2000-х годов были продемонстрированы чипы RF CMOS с глубокими субмикронными MOSFET, способные работать в диапазоне частот более 100 ГГц . ^[19] По состоянию на 2008 год радиопередатчики во всех беспроводных сетевых устройствах и современных мобильных телефонах массово производятся как устройства RF CMOS. ^{[14] [обновлять]}

Приложения

ESP32 является примером микросхемы, объединяющей RF CMOS с цифровой логикой, которая в данном случае представляет собой одно или два скрытых ядра процессора .

Процессоры базовой полосы ^{[20] [21]} и радиопередатчики во всех современных беспроводных сетевых устройствах и мобильных телефонах производятся серийно с использованием устройств RF CMOS. ^[14] Схемы RF CMOS широко используются для передачи и приема беспроводных сигналов в различных приложениях, таких как спутниковые технологии (включая GPS и приемники GPS ), Bluetooth , Wi-Fi , связь ближнего поля (NFC), мобильные сети (такие как 3G и 4G ), наземное вещание и автомобильные радары , среди прочих применений. ^[22]

Примерами коммерческих RF CMOS-чипов являются беспроводной телефон Intel DECT и чипы 802.11 ( Wi-Fi ), созданные Atheros и другими компаниями. ^[23] Коммерческие RF CMOS-продукты также используются для сетей Bluetooth и беспроводных локальных сетей (WLAN). ^[24] RF CMOS также используется в радиопередатчиках для беспроводных стандартов, таких как GSM , Wi-Fi и Bluetooth, приемопередатчиках для мобильных сетей, таких как 3G, и удаленных устройствах в беспроводных сенсорных сетях (WSN). ^[25]

Технология RF CMOS имеет решающее значение для современных беспроводных коммуникаций, включая беспроводные сети и мобильные устройства связи. Одной из компаний, которая коммерциализировала технологию RF CMOS, была Infineon . Ее массовые коммутаторы CMOS RF продаются в количестве более 1  миллиарда единиц в год, достигнув совокупного показателя в 5  миллиардов единиц по состоянию на 2018 год ^{[обновлять]}. ^[26]

Практическое использование программно-определяемого радио (SDR) для коммерческого использования стало возможным благодаря технологии RF CMOS, которая позволяет реализовать целую программно-определяемую радиосистему на одном кристалле МОП-ИС. ^{[27] [28] [29]} Технология RF CMOS начала использоваться для реализаций SDR в 2000-х годах. ^[28]

Распространенные приложения

RF CMOS широко используется в ряде распространенных приложений, в том числе:

• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ^{[27] [30]} — сигма-дельта (ΣΔ) модуляция ^[27]
• Автомобильная электроника — усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS), ^{[31] [32]} приложения для обеспечения безопасности автомобилей , эффективность вождения , система предупреждения о выезде с полосы движения (LDWS), обнаружение уязвимых участников дорожного движения (VRU), ^[32] помощь водителю , обнаружение пассажиров сзади (ROD), предупреждение о пассажирах сзади (ROA), ^[30] генератор сигналов ^[33]
  • Автомобиль спереди и сбоку — система предотвращения бокового столкновения , помощь при движении в узкой полосе, система предупреждения бокового столкновения , помощь при движении в пробке , ^[34] адаптивный круиз-контроль (ACC), ^{[32] [30] [34]} автономное экстренное торможение (AEB) ^{[32] [34]}
  • Задняя часть автомобиля — обнаружение слепых зон (BSD), предаварийная сигнализация сзади , ^[34] помощь при смене полосы движения (LCA) ^{[32] [34]}
  • Технология Cross-Traffic Assist (CTA) — предупреждение о перекрестном движении сзади (RCTA), ^{[32] [30]} предупреждение о перекрестном движении спереди (FTCA) ^[30]
  • Парковка — автоматизированная парковка , автоматизированная система парковки (APS), автоматическая парковка , ^[32] Помощь при парковке (PA), ^[30] датчик парковки ( ультразвуковой датчик ) ^[33]
  • Технология предотвращения столкновений на дорогах — система предотвращения столкновений (CAS), обнаружение столкновений , предупреждение о столкновении и поддержка торможения , система предотвращения столкновений ^[32]
  • Технология слепых зон автомобиля — обнаружение слепых зон (BSD), мониторинг слепых зон (BSM), предупреждение о перекрестном движении сзади (RCTA) ^{[32] [30]}
  • Системы связи с транспортными средствами — связь между транспортными средствами (V2V) и связь между транспортным средством и всем остальным (V2X) ^[29]
• Технология вещания — наземное вещание ^[22]
  • Радиовещание — цифровое радио , HD Radio , цифровое аудиовещание (DAB), цифровое радио мира (DRM) ^[29]
• Мобильные устройства
  • Мобильные сети ^{[22] [14]} — Глобальная система мобильной связи (GSM), ^{[25] [15]} 3G , ^{[22] [25]} 4G , ^[22] 5G ^[31]
  • Мобильные телефоны ^[14]
  • Смартфоны — сотовые модемы ( модули базовой полосы ), радиочастотные приемопередатчики , беспроводные коммуникационные чипы (Wi-Fi, Bluetooth, GPS) ^[35]
• Радиотехнологии ^[14] — радиочастотные (РЧ) технологии , ^[31] радиоприемники , передатчики , ^[30] программно-определяемые радиосистемы (SDR), ^{[27] [28] [29]} широкополосные ^[28]
  • Процессоры базовой полосы ^{[20] [21]}
  • Применение миллиметровых волн (ммВ) ^[31]
  • Технология радаров ^[32] — автомобильный радар, ^{[22] [31] [29]} приемопередатчики радаров , радар с визуализацией , сверхразрешающая (SR) визуализация, радар-кокон с восприятием 360° , ^[32] радар-кокон, радар с частотно-модулированной непрерывной волной (FMCW), ^[30] функции углового радара, радар-трекер ^[33]
  • Трансиверы ^[15] — радиотрансиверы , ^{[14] [15]} радиочастотные трансиверы , ^{[35] [31]} сотовые трансиверы ^[15]
• Датчики — радарные датчики , ^[32] беспроводная сенсорная сеть (WSN) ^[25]
• Система на кристалле (SoC) ^{[15] [31]}
• Телекоммуникации
  • Цифровая усовершенствованная беспроводная связь (DECT) ^[23]
  • Интернет вещей (IoT) — узкополосный IoT , Cat-M1 ^[31]
  • Спутниковая связь ^{[31] [15]} — Глобальная система позиционирования (GPS), ^[22] GPS-приемники ^[15]
  • Устройства ближнего действия ^[31] — Bluetooth , ^{[22] [24] [25]} Bluetooth Low Energy (BLE), IEEE 802.15.4 , ^[31] IEEE 802.11 , ^[23] Wi-Fi ^{[22] [25] [31]}
  • Беспроводные сети — беспроводные сетевые устройства, ^[14] беспроводная локальная сеть (WLAN), ^{[24] [15]} глобальная сеть (WAN), ^[31] мобильные сети ^{[22] [14]}
  • Беспроводные технологии ^{[14] [15]} — беспроводные телекоммуникации , ^[14] транзитная связь , ^[31] связь ближнего действия (NFC) ^[22]
• Генератор, управляемый напряжением (ГУН) — ГУН с низким фазовым шумом ^[30]

Смотрите также

• Цифровая телефония
• История телекоммуникаций
• ЛДМОС
• Интегральная схема со смешанным сигналом
• МОП-интегральная схема
• Мощность МОП-транзистора
• Радиочастотная техника
• ВЧ модуль
• усилитель мощности ВЧ
• РФИК
• Производство полупроводниковых приборов

Ссылки

1. https://www.datasheetbank.com/en/pdf-view/BCM2050-Broadcom ^{[ пустой URL-адрес ]}
2. Seong-Kyun Kim; Byung-Sung Kim (2008). "Масштабируемое моделирование спирального индуктора в 0,13 мкм процессе RF CMOS". Международная конференция по проектированию SoC 2008 года . doi :10.1109/SOCDC.2008.4815667. ISBN 978-1-4244-2598-3. S2CID  27842573.
3. «Проектирование встроенного трансформатора для усилителей мощности КМОП». 2010. S2CID  195748866.
4. Хан, Цзян-Ань; Конг, Чжи-Хуэй; Ма, Кай-Сюэ; Йео, Киат-Сэн (2014). «Проект трансформатора КМОП 1:1 для миллиметровых волн». XXXI Генеральная ассамблея и научный симпозиум URSI 2014 г. (URSI GASS) . стр. 1–4. doi :10.1109/URSIGASS.2014.6929414. ISBN 978-1-4673-5225-3. S2CID  26756764.
5. Liwen Jing; Li, Alvin; Duona Luo; Rowell, Corbett R.; Yue, C. Patrick (2015). "Конструкция балуна на основе трансформатора миллиметрового диапазона 4:1 для КМОП-РЧ-ИС". 2015 IEEE International Wireless Symposium (IWS 2015) . стр. 1–4. doi :10.1109/IEEE-IWS.2015.7164519. ISBN 978-1-4799-1928-4. S2CID  38084098.
6. Высоколинейные КМОП-РЧ входные цепи. Springer. 8 февраля 2006 г. ISBN 978-0-387-23802-9.
7. "Рисунок 1. Краткое изложение технологий SiGe BiCMOS и rf CMOS". ResearchGate . Получено 2019-12-07 .
8. RF CMOS Power Amplifiers: Theory, Design and Implementation . Международная серия по инжинирингу и информатике. Том 659. Springer Science+Business Media . 2002. doi :10.1007/b117692. ISBN 0-7923-7628-5.
9. А. ван дер Зиль (1962). «Тепловой шум в полевых транзисторах». Труды IRE . 50 (8): 1808–1812. doi :10.1109/JRPROC.1962.288221.
10. А. ван дер Зиль (1963). «Шум затвора в полевых транзисторах на умеренно высоких частотах». Труды IEEE . 51 (3): 461–467. doi :10.1109/PROC.1963.1849.
11. А. ван дер Зиль (1986). Шум в твердотельных приборах и схемах . Wiley-Interscience.
12. TM Lee (2007). "История и будущее RF CMOS: от оксюморона к мейнстриму" (PDF) . IEEE Int. Conf. Computer Design .
13. Allstot, David J. (2016). "Фильтры с переключаемыми конденсаторами" (PDF) . В Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (ред.). Краткая история схем и систем: от экологичных, мобильных, всепроникающих сетей до вычислений на основе больших данных . IEEE Circuits and Systems Society . стр. 105–110. ISBN 9788793609860. Архивировано из оригинала (PDF) 2021-09-30 . Получено 2019-12-07 .
14. О'Нил, А. (2008). «Асад Абиди получил признание за работу в области RF-CMOS». Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society . 13 (1): 57–58. doi :10.1109/N-SSC.2008.4785694. ISSN  1098-4232.
15. Абиди, Асад Али (апрель 2004 г.). «RF CMOS достигает совершеннолетия». Журнал IEEE твердотельных схем . 39 (4): 549–561. Бибкод : 2004IJSSC..39..549A. дои :10.1109/JSSC.2004.825247. ISSN  1558-173Х. S2CID  23186298.
16. Чанг, Дж.; Абиди, Асад Али; Гайтан, Майкл (май 1993 г.). «Большие подвешенные индукторы на кремнии и их использование в 2-мкм КМОП-РЧ-усилителе». IEEE Electron Device Letters . 14 (5): 246–248. Bibcode : 1993IEDL...14..246C. doi : 10.1109/55.215182. ISSN  1558-0563. S2CID  27249864.
17. Шривастава, Виранджай М.; Сингх, Ганшьям (2013). Технологии МОП-транзисторов для двухполюсного четырехпозиционного радиочастотного переключателя. Springer Science & Business Media . стр. 1. ISBN 9783319011653.
18. Данешрад, Бабал; Элтавил, Ахмед М. (2002). «Технологии интегральных схем для беспроводной связи». Технологии беспроводных мультимедийных сетей . Международная серия по инжинирингу и информатике. 524. Springer US: 227–244. doi :10.1007/0-306-47330-5_13. ISBN 0-7923-8633-7.
19. Чен, Чи-Хун; Дин, М. Джамал (2001). "Характеристика и моделирование шума RF CMOS". Международный журнал высокоскоростной электроники и систем . 11 (4). World Scientific Publishing Company : 1085–1157 (1085). doi : 10.1142/9789812777768_0004. ISBN 9810249055.
20. Chen, Wai-Kai (2018). Справочник по СБИС. CRC Press . стр. 60–2. ISBN 9781420005967.
21. Моргадо, Алонсо; Рио, Росио-дель; Роза, Хосе М. де ла (2011). Нанометровые КМОП-сигма-дельта-модуляторы для программно-определяемой радиосвязи. Springer Science & Business Media . п. 1. ISBN 9781461400370.
22. Veendrick, Harry JM (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ до ASIC. Springer. стр. 243. ISBN 9783319475974.
23. Натавад, Л.; Заргари, М.; Самавати, Х.; Мехта, С.; Хейрхаки, А.; Чен, П.; Гонг, К.; Вакили-Амини, Б.; Хван, Дж.; Чен, М.; Терровит, М.; Качиньский, Б.; Лимотиракис, С.; Мак, М.; Ган, Х.; Ли, М.; Абдоллахи-Алибейк, Б.; Байтекин Б.; Онодера, К.; Мендис, С.; Чанг, А.; Джен, С.; Су, Д.; Вули, Б. «20.2: двухдиапазонная система на кристалле CMOS MIMO Radio для беспроводной локальной сети IEEE 802.11n» (PDF) . Веб-хостинг IEEE Entity . IEEE. Архивировано из оригинала (PDF) 23 октября 2016 г. Получено 22 октября 2016 г.
24. Olstein, Katherine (весна 2008 г.). «Abidi получает премию IEEE Pederson Award на ISSCC 2008» (PDF) . SSCC: Новости общества твердотельных схем IEEE . 13 (2): 12. doi :10.1109/HICSS.1997.665459. S2CID  30558989. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-11-07.
25. Оливейра, Жуан; Идет, Жоау (2012). Параметрическое усиление аналогового сигнала применительно к наноразмерным КМОП-технологиям. Springer Science & Business Media . п. 7. ISBN 9781461416708.
26. "Infineon Hits Bulk-CMOS RF Switch Milestone". EE Times . 20 ноября 2018 г. Получено 26 октября 2019 г.
27. Моргадо, Алонсо; Рио, Росио-дель; Роза, Хосе М. де ла (2011). Нанометровые КМОП-сигма-дельта-модуляторы для программно-определяемой радиосвязи. Springer Science & Business Media . ISBN 9781461400370.
28. Leenaerts, Domine (май 2010 г.). Методы проектирования широкополосных радиочастотных КМОП-схем (PDF) . Программа выдающихся лекторов Общества твердотельных схем IEEE (SSCS DLP). NXP Semiconductors . Получено 10 декабря 2019 г. .
29. "Software-defined-radio Technology". NXP Semiconductors . Получено 11 декабря 2019 г.
30. "TEF810X Полностью интегрированный радиолокационный приемопередатчик 77 ГГц". NXP Semiconductors . Получено 16 декабря 2019 г.
31. "RF CMOS". ГлобалФаундрис . 20 октября 2016 г. Проверено 7 декабря 2019 г.
32. "Radar Transceivers". NXP Semiconductors . Получено 16 декабря 2019 г.
33. "TEF810X: 77GHz Automotive Radar Transceiver" (PDF) . NXP Semiconductors . Получено 20 декабря 2019 г. .
34. "TEF810X: автомобильный радарный приемопередатчик с диапазоном частот от 76 ГГц до 81 ГГц" (PDF) . NXP Semiconductors . Получено 20 декабря 2019 г. .
35. Kim, Woonyun (2015). "Проект усилителя мощности CMOS для сотовых приложений: двухрежимный четырехдиапазонный PA EDGE/GSM в 0,18 мкм CMOS". В Wang, Hua; Sengupta, Kaushik (ред.). Генерация мощности RF и mm-Wave в кремнии . Academic Press . стр. 89–90. ISBN 978-0-12-409522-9.