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MIMO verlangt nach FinFET

Sieben Punkte, die Analog-Entwickler beachten müssen

23. Mai 2024, 6:00 Uhr | Gabriele Devita

Für Analog-IC-Entwickler stellt der Wechsel zur FinFET-Technik eine drastische Veränderung dar. Mit sieben Empfehlungen lässt sich dieser Übergang reibungsloser gestalten – und die Entwicklung leistungsstarker FinFET-Analogschaltungen gelingt leichter.

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Die Bänder im FR2-Bereich (28–32 GHz) werden bereits für 5G genutzt, für die terrestrische und die satellitengestützte Kommunikation. Die Reichweite der Funkverbindung in diesen HF-Bändern ist durch die kurze Signalwellenlänge begrenzt, weshalb die Transceiver auf MIMO-Systeme (Multiple Input Multiple Output) angewiesen sind, um die erforderliche Leistungsübertragungsbilanz einzuhalten und Interferenzen abzuschwächen. Für ASIC-Entwickler bedeutet dies: mehr Kanäle, mehr Funktechnik und mehr digitale Signalverarbeitung.

FinFET hat sich zur idealen Halbleitertechnik für große MIMO-Systeme entwickelt. Sie bietet Flexibilität und ermöglicht digitale Funkschaltungen auf der Basis von HF-A/D- und D/A-Umsetzern (ADU, DAU), die mehrere Standards unterstützen. Ein Nachteil bei der Einführung dieser Transistoren ist jedoch die hohe Stromaufnahme. Bild 1 zeigt die benötigte Energie pro Umsetzungsschritt bei ADUs mit hoher Auflösung, die in den letzten zehn Jahren auf den Markt gebracht wurden. Der Energiebedarf pro Umsetzung steigt exponentiell an, wenn die Taktfrequenz über 1 GHz liegt. Erhöht sich die Abtastfrequenz von 1 auf 5 GHz, steigt der Energiebedarf des Umsetzers um mehr als das 20-fache.

Durch eine HF-Analog-Eingangsstufe (AFE, Analog Front End) und die Umsetzung des Multi-GHz-HF-Signals in eine niedrigere Zwischenfrequenz (ZF) unter 500 MHz lässt sich vor dem Übergang in den Digitalbereich eine erhebliche Menge an Energie einsparen. Dabei wird auch die Abtastfrequenz des Analog-Digital-Umsetzers verringert.

FinFET bringt für die Entwicklung analoger Schaltungen weitere Vorteile mit sich:
kompakte Bauelemente mit hohen Transkonduktanz-/gm- und RA-Werten;
Subthreshold-Steilheit ist praktisch ideal dank geringerem Leckstrom;
hohe HF-Leistungsfähigkeit mit einem f_T-Spitzenwert von 600 GHz;
p-MOS/n-MOS-β-Verhältnis nahe 1 und
der Schwellenwert der Transistoren wird durch die Body-Bias-Spannung so gut wie nicht beeinflusst.

Allerdings dieser Ansatz hat einen Nachteil: Die Anzahl der Masken, die für die Fin-FET-Technik erforderlich sind, ist zwei- bis dreimal höher als bei planaren Bauelementen. Dies macht das analoge IC-Layout aufgrund der großen Anzahl von Designregeln kompliziert und langsam. Die Fin-FET-Technik eignet sich daher besser für die digitale Place-and-Route-Implementierung, wogegen benutzerdefinierte Standard-Analog-Layout-Prozesse schwierig sein können – insbesondere bei kleineren Strukturgrößen von 7 nm, wie sie für diese Anwendungen erforderlich sind. Lässt sich dieses Problem lösen?

Mit den folgenden sieben Regeln lässt sich der Entwurfsprozess von Analog-ICs in FinFET-Technik vereinfachen: (Detailierte Informationen zu den sieben Punkten erhalten Sie durch einen Klick auf die hinterlegten Links.)

Die Vorteile von FinFET für Funkkommunikations-ICs nutzen

FinFET ist die ideale Technik für den Entwurf großer MIMO-Systeme: Sie ermöglicht eine kleine, schnelle, digitale Signalverarbeitung um „flexible“ digitale Funksysteme zu integrieren. Der Wunsch, HF-Anwendungen für höhere Frequenzbänder zu realisieren, wird jedoch durch die Stromaufnahme von HF-ADU/DAU-basierten Schaltungen eingegrenzt. Daher ist die Entwicklung stromsparender analoger HF-Eingangsstufen zur Umsetzung des Funksignals in eine niedrigere Zwischenfrequenz entscheidend für den Erfolg dieser Systeme.

Der Autor

Gabriele Devita

leitet als Director den Bereich für die Entwicklung von HF-/Analog-/Mixed-Signal-ICs bei EnSilica. Seine Arbeit fokussiert sich vorrangig auf den Entwurf von analogen und digitalen Beamforming-Transceiverschaltungen für MIMO-Funksysteme, die in den Frequenzbändern FR1 und FR2 arbeiten.