Low-Power-Komponenten für 5G CMOS-ADUs für Basisstationen und Mobiltelefone

stromsparende ADUs für 5G-Applikationen
stromsparende ADUs für 5G-Applikationen

Besonders energiesparende ADUs hat das Imec entwickelt. Sie benötigen um den Faktor 10 weniger Leistung und sollen in künftigen SoCs für 5G-Basisstationen und -Smartphones eingesetzt werden.

Das Forschungs- und Innovationszentrum Imec stellt auf der International Solid-State Circuits Conference 2019 (ISSCC2019) einen kompakten, hochlinearen HF-ADU mit einer Abtastrate von 3,2 GS/s vor, der auf einem Ringverstärker basiert – eine als Verstärker betriebene Ringoszillatorschaltung. Der ADU hat eine rekordverdächtig niedrige Leistungsaufnahme von 61,3 mW und unterstützt den Multiband-Betrieb und massive MIMO – zwei wichtige Merkmale zukünftiger 5G-Basisstationen. Ein zweiter ebenfalls auf einem Ringverstärker basierender ADU wurde für den Einsatz in 5G-Mobiltelefonen entwickelt. Er ist rekonfigurierbar und ermöglicht Abtastraten von 6 und 600 MS/s.

Zu den Hauptvorteilen des HF-ADU mit 3,2-GS/s zählt das Imec die spektrale Reinheit in Kombination mit der niedrigen Leistungsaufnahme von 61,3 mW. Damit konnte die Imec-Forscher eine Verbesserung um den Faktor zehn im Vergleich zum Stand der Technik erzielen. Zugleich bietet der neue ADU eine hohe Empfindlichkeit und Linearität mit einem SINADR (Signal-to-Noise and Distortion Ratio) von 61,7 dB und einen störungsfreien Dynamikbereich (SFDR – Spurious-Free Dynamic Range) von 73,3 dB. Die CMOS-Schaltung des ADU wurde in 16-nm-Technik gefertigt und belegt eine aktive Fläche von nur 360 µm × 540 µm.

Mit aktuellen Transceivern für Basisstationen – typischerweise ohne ZF-Stufe – kann der Multiband-Betrieb nur durch die Implementierung einer zunehmenden Anzahl von Transceivern erreicht werden.  Dies trägt wesentlich zu einem steigenden Flächen- und Leistungsbedarf der Basisstation bei. Mit Abtastraten im GHz-Bereich ermöglicht der neue HF-ADU die Entwicklung kompakter Basisstationen, die mehrere Bänder für Mobilfunknetze nutzen können und eine deutlich geringere Stromaufnahme bieten.

Darüber hinaus werden die für den MIMO-Betrieb erforderlichen großflächigen Antennenanordnungen durch den Einsatz einer großen Anzahl von leistungshungrigen diskreten Transceivern realisiert. Der HF-ADU des Imec, gefertigt in einem CMOS-Prozess, ermöglicht eine Implementierung von massive MIMO als System-on-Chip. Dies führt nicht nur zu einer deutlich geringeren Stromaufnahme, sondern auch zu einer reduzierten Stückliste.

Das Herzstück des HF-ADU von imec ist eine auf einem Ringverstärker basierende Pipeline-Schaltung. Diese neue Verstärkerschaltung bietet eine hohe Geschwindigkeit und Leistungseffizienz in FinFET-Technik. Sie ermöglicht ein schnelles und präzises Abtasten bei großen kapazitiven Lasten über den nahezu maximalen Aussteuerbereich bei niedriger Versorgungsspannung. Der ADU wurde mit einem neuen ereignisgesteuerten Ansatz für die Zeitsteuerung von Pipeline-ADUs kombiniert, der einen vollständig dynamischen Betrieb des ADU ermöglicht. Damit nehmen die aktiven Blöcke nur Leistung proportional zur Taktfrequenz auf.

Benjamin Hershberg, leitender Systemarchitekt bei Imec: »Unsere Forschung zur Entwicklung einer ausgereiften Ringverstärkerschaltung ist nicht nur für eine neue Generation von ADUs nützlich, sondern bietet auch eine allgemeinere Lösung für die seit langem bestehende Herausforderung, eine multifunktionale Verstärkerschaltung zu finden, die im nm-CMOS gut funktioniert und für eine sehr breite Palette von Schaltungsanwendungen geeignet ist".

Um die Vielseitigkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren, hat das Imec einen zweiten Ringverstärker-ADU mit 6 bis 600 MS/s für Mobiltelefone entwickelt. Es erreicht eine effektive Anzahl von Bits (ENOB - Effective Number of Bits) von 9,7 bit bei einem Gütefaktor von 12 fJ/conv-step (Walden FOM nach R.H. Walden). Der ADU bietet eine energieeffiziente Alternative zu mehrkanaligen SAR-Schaltungen, ohne den Aufwand einer Interleave-Kalibrierung. Da der ADU rekonfigurierbar ist, kann er für eine Vielzahl von Funkkommunikationsstandards und Kanalbandbreiten eingesetzt werden.

Joris Van Driessche, Programm-Manager bei Imec: »Unser Giga-Sample-ADU für 5G-Basisstationen und unser rekonfigurierbarer ADU für mobile Endgeräte sind zwei neuartige Low-Power-IP-Bausteine, die unser umfangreiches Sortiment an rekordverdächtigen ADUs ergänzen. Diese Ergebnisse zeigen unsere anhaltende Führungsrolle in diesem Bereich und geben unseren Partnern einen einzigartigen Vorteil bei der Realisierung ihres System-on-Chip der nächsten Generation für die 5G-Kommunikation.«