Forskningsinstitutet Imec har utvecklat en A/D-omvandlare som bara drar 61,3 mW trots 3,2 GSa/s. Den presenteras nu på halvledarkonferensen ISSCC2019. Omvandlarkretsen tillämpar ringförstärkare, vilket förklarar den låga effektförbrukningen.

En ringförstärkare är i princip byggd som en ringoscillator. Men för att förstärkaren inte skall självsvänga har förstärkningsstegen en dödzon runt noll.

Framför allt väntas den speciella A/D-omvandlaren passa för 5G-tillämpningar som multiband och MIMO.

Viktiga prestationsfördelar är dess utmärkta spektrala renhet i kombination med den rekordlåga strömförbrukningen på 61,3 mW. Den är en faktor 10 bättre än hos dagens bästa kretsar.

Den höga känsligheten och linjäriteten demonstreras av A/D-omvandlarens Nyquist-SNDR ( signal/brus +distorsion) på 61,7 dB och dess spurious-fria dynamiska område (SFDR) på 73,3 dB.
Enheten är tillverkad i 16 nm CMOS-teknik och upptar ett aktivt område på endast 0,194 mm² (360 μm x 540 μm).

En transceiver för flera band
Med nuvarande basstationsradioer, vanligtvis implementerad med en noll-mellanfrekvens-arkitektur (zero-IF), kan multiband-operationer bara skapas genom att implementera ett ökande antal transceivers. Detta bidrar väsentligt till basstationens storlek och strömförbrukning. Med samplingshastigheter i GHz-området gör Imecs nya A/D-omvandlare det möjlig att utveckla kompakta radiodelar som kombinerar flera mobiltelefoniband med låg strömförbrukning.

Vidare förses de stora antennmatriser som krävs för MIMO ett stort antal effektslukande,  diskreta transceivers. Imecs RF-samplande A/D-omvandlare tillverkas i en nedskalad process som möjliggör massiv-MIMO i form av ett system-on-kisel vid mycket lägre strömförbrukning och väsentligt minskad stycklista.

Ringförstärkare och pipeline
Imecs RF-samplande A/D-omvandlare har en  pipeline-arkitektur finns med ringförstärkare. Den nya förstärkartopologin ger  hög hastighet och god effektivitet i en nedskalad FinFET-teknik, vilket möjliggör snabb och noggrann inlänkning av stora kapacitiva laster och nästan fullt spänningssving vid låg spänning.

Detta kombineras med en ny händelsesdriven tidsstyrning av A/D-arkitekturen med pipeline vilket möjliggör en helt dynamisk drift av A/D-omvandlaren där de aktiva blocken bara förbrukar effekt i proportion mot klockhastigheten.

Benjamin Hershberg, som leder systemarkitekturen vid Imec säger:
– Vår forskning för att utveckla en mogen ringförstärkarteknik är inte bara användbar för en ny generation A/D-omvandlare utan ger också en mer allmän lösning på den långvariga utmaningen att hitta en multifunktionell förstärkartopologi som fungerar bra för CMOS i nanoskala, och som kan tillämpas inom ett mycket brett spektrum av kretsapplikationer.

För att demonstrera mångsidigheten i detta tillvägagångssätt utvecklades en andra ringampbaserad A/D-omvandlare med 6 till 600 MSa/s enkanalhastighet för mobila handenheter och smartphone-applikationer. Den uppnår 9,7 bit ENOB vid ett godhetstal enligt Walden på 12 fJ /omvandlingssteg.

A/D-omvandlaren erbjuder ett kraftfullt alternativ till SAR-arkitekturer med flera kanaler, utan behov av intervallkalibrering. Eftersom A/D-omvandlaren kan konfigureras stödjer den en mängd standarder för trådlös kommunikation och kanalbandbredd.
Joris Van Driessche, programchef på Imec säger:
– Vår A/D-omvandlare med gigahastighet är konstruerad för 5G-basstationer och vår rekonfigurerbara omvandlare från 6 till 600 MSa/s är tänkt för mobiltelefoner för konsumenter. Resultaten ger våra partners en unik möjlighet till att utveckla nästa generations system på kisel för 5G.

Filed under: Utländsk Teknik