详解Imec在2015 ISSCC上首发的三大无线IC技术

2015-02-26

国际固态电路会议(ISSCC)是很多新IC技术最先公开的地方，也成为许多顶尖厂商和研究机构技术PK的平台。2015年ISSCC如期而至，今年很多媒体把焦点放在了三星、Intel的10 nm FinFET技术，EEWORLD挖出了欧洲硅光子技术领先研究机构比利时IMEC三个有意义的IC颠覆技术，其为目前各种应用不断增长的无线连网需求提供了更好的选择。

世界上功耗最低的用于低功耗蓝牙的2.4 GHz无线芯片

在近期举办的ISSCC上，Imec和合作伙伴Holst Centre 、瑞萨一起提出了一种兼容低功耗蓝牙和IEEE 802.15.4（ZigBee）的超低功耗2.4GHz短距离无线芯片。与之前的90 nm RF前端设计相比，该技术基于40 nm CMOS工艺，电源电压降低了20%，功耗降低了25%，芯片面积降低了35%。

如今，无线消耗了系统中绝大多数电量，其也是目前新兴应用中最关键的部件。

此外，低成本、尺寸小的无线设计是研制小型传感器应用、无缝地集成到环境中的一个重要催化剂。实现一个超低功耗无线将增加传感器设备的自主性，提高它的质量、功能和性能，使电池的尺寸减小，使得能装入一个更小的设备，在可穿戴式应用中，就增加了用户的舒适性。

这款2.4GHz无线芯片通过将数字型射频（RF）架构和数字基带（DBB）以及MCU紧密集成，达到了世界一流的能量效率。此外，一些低电压技术也被用来保证1 V以下的操作，实现最好的3.7 mW接收和4.4 mW发送功耗。更特别的是，数字型RF设计将模拟核面积降低到1.3 mm2，DBB/MCU/SRAM占用了1.1 mm2的面积。基于40 nm CMOS工艺流程，该无线芯片支持最普遍的移动传感器网络标准（BLE,IEEE802.1.5.4）。混合模式的快速载波频率偏移（CFO）补偿通过两点注射的全数字锁相环（AD-PLL）将接收机的抗载波频率偏移（CFO）从± 20 ppm扩展到± 60ppm 。全数字锁相环的使用是因为它的面积小和广泛的自校准。用于BLE的一个灵敏度为- 93.5 dBm的好的接收端（BLE规格：＜-70 dBm）被测定，其数据包错误率（PER）为30.8%。有快速自动增益控制（AGC）的接收端的动态范围从灵敏度级别到-5 dBm输入（BLE规格：> - 10 dBm），可满足BLE对邻近信道干扰的要求。

紧凑型波分复用CMOS硅光子收发器

Imec与廷德尔研究所、鲁汶大学和根特大学合作，展示了一个4×20 Gb/s波分复用（WDM）混合CMOS硅光子收发器，为成本效益、高密度的单模光纤链路铺平了道路。

混合CMOS硅光子收发器，通过单模光纤传输和接收数据，预计在下一代数据中心连接中起关键作用。通过利用现有的CMOS制造和3D架构，混合CMOS硅光子平台实现了高集成度、较低的功耗、高产量和低制造成本。结合波分复用功能，高度可扩展的单模光纤收发器可以满足日益增长的对下一代云基础设施互连带宽的需求。

Imec的CMOS硅光子收发器包括硅光子(SiPh）芯片，倒装芯片与一个低功耗40 nm CMOS芯片集成。SiPh芯片由Imec的25 Gb/s的硅光子学平台制作（iSiPP25G），包括4个紧凑的25 Gb/s环调制器阵列，耦合到允许WDM传输的公共总线波导。在接收侧，c采用了基于环的具有300 GHz信道间隔的低损耗（ 2dB）解复用滤波器，并进一步连接到四个25 Gb/s Ge波导光电探测器阵列。环形调制器和环WDM过滤器都包括高效集成加热元件来调整其谐振波长所需的WDM信道。该芯片包括四个差分20 Gb/s环形调制器驱动和四个20 Gb/s的跨阻抗放大器。利用廷德尔国家研究所开发的一个平面方法，将一个12通道单模光纤阵列封装在芯片上的光栅耦合器阵列。

无错误操作在一个20 Gb/s回路试验中被演示，所有四个WDM信道以及双通道一起运行了。该收发器的动态功耗，包括CMOS驱动器和接收器，小于2 pJ /位。WDM信道波长的热调谐消耗只有7 mW /nm每通道。通过采用更先进的CMOS工艺以及添加更多的WDM信道，该收发器可以进一步扩展到更高的带宽能力，使得未来的数据中心互连中100GbE、400GbE甚至更高速的以太网光模块成为可能。

针对毫米微波雷达系统推出具有突破性的基于CMOS的收发器

Imec和松下推出了一个用于79 GHz相位调制连续波雷达的收发器芯片。这一成果展现了CMOS用于廉价的毫米波雷达系统的潜能，可用于精确的位置和运动检测。

毫米波雷达技术用于先进驾驶辅助系统（ADAS）以提高在模糊条件下的安全性，如灰尘、雾和黑暗，在这些条件下，基于图像的驾驶员辅助系统缺乏鲁棒性。与超声传感器相比，毫米波雷达技术还提供了更长的距离、更高的精度和看不见的安装能力。 Imec 79 GHz雷达解决方案是基于先进的28 nm CMOS工艺，由于它提供了一个到低功耗、紧凑、集成解决方案的路径，因此其能作为目前SiGe工艺技术的替代品。此外，在预期的高产量方面，CMOS技术是真的低成本。

IMEC和松下的收发芯片包含一个控制回路来抑制从发射机到接收机的溢出并且不影响RF性能。在耗电为260 mW时，发射机的输出功率为11 dBm，而接收增益为35 dB,噪声系数低于7 dB,发端到收端的溢出抑制为15 dB。多亏了宽的调制带宽，可达到的深度分辨率是7.5 cm。