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FD-SOI技术在毫米波雷达芯片中的应用

2023-10-19 汽车电子设计 阅读:
在过去的20年里,雷达技术取得了长足的进展,第一个大规模生产的77GHz雷达于1998年在奔驰S级车;2011年之后更多车辆采用了标准毫米波雷达产品(开始普及)。目前全球毫米波雷达市场的主要驱动因素是对ADAS的需求增加,同时由NCAP要求的主动安全系统的需求加速增长,汽车行业目前对高精度、多功能毫米波雷达系统的需求增加了···

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毫米波雷达是推动ADAS和自动辅助驾驶发展的关键驱动因素,这种感知方式使得车辆能够感知周围环境并基于此信息做出决策,从而提高了安全性和驾驶性能。毫米波雷达雷达在面对干扰大气和环境因素时表现非常强大,能够即时测量距离、角度和速度,并生成环境的信息。hFKednc

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● 毫米波雷达发展趋势

毫米波雷达技术主要用于高档车辆,但在过去的20年里,雷达技术取得了长足的进展,第一个大规模生产的77GHz雷达于1998年在奔驰S级车;2011年之后更多车辆采用了标准毫米波雷达产品(开始普及)目前全球毫米波雷达市场的主要驱动因素是对ADAS的需求增加,同时由NCAP要求的主动安全系统的需求加速增长,汽车行业目前对高精度、多功能毫米波雷达系统的需求增加了。

为满足下一代雷达系统的需求,毫米波雷达转向了CMOS,采用CMOS技术可以显著增加集成密度,单芯片上的雷达发射接收器(雷达芯片SoC开始流行),设计通常包括毫米波前端、模拟基带和数字处理,全部集成在同一芯片上,还可以包括微控制器(MCUs)、数字信号处理器(DSPs)、内存和机器学习引擎,使得毫米波雷达能够独立运行,几乎不需要外部组件,从而降低了整体BOM成本,芯片制造节点选择是40/45nm、28nm和22nm,甚至选择了16nm。hFKednc

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汽车雷达最有前途的硅技术之一是全耗尽硅绝缘体(FD-SOI),FD-SOI技术使得高频雷达组件能够集成在单一芯片上,不仅可以提高雷达系统的性能,还可以实现低功耗操作,这对于汽车应用中的功率效率至关重要。hFKednc

●FD-SOI技术

毫米波雷达的任务是识别和空间定位基于质量的障碍物,包括其他车辆、自行车骑手、行人、动物,甚至固定障碍物。hFKednc

分析雷达传感器性能时的关键指标包括:hFKednc

1)能够探测物体的距离(范围)hFKednc

2)能够准确分辨物体的可靠性(范围分辨率)hFKednc

3)能够分辨物体的速度有多强(速度分辨率)hFKednc

4)能够确定物体位置和轨迹的准确度(角度分辨率)hFKednc

表1:高级LRR雷达的典型性能参数hFKednc

高精度和高分辨率不仅使得今天的雷达能够进行物体探测,还能进行物体分类,为了获得更高的精度和分辨率,需要付出更多的数据。随着精度和分辨率的提高,数据量相应增加,这需要更多的计算能力。在管理由高精度和分辨率雷达系统产生的大量数据,同时保持低功耗方面,架构的选择和使用高效CMOS技术至关重要。hFKednc

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使用CMOS技术设计毫米波雷达系统相对于传统的模拟雷达收发器具有许多优势:hFKednc

1)CMOS技术允许将多个组件(如雷达收发器、信号处理电路和控制逻辑)集成到一个芯片中,提高了雷达系统的分辨率和密度,使其能够更准确、可靠地检测物体。hFKednc

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2)CMOS技术通常比传统的模拟雷达收发器更便宜,有助于降低雷达系统的总成本。通过将雷达系统集成到单一芯片上,SoC可以更加紧凑和高效,空间和功耗都至关重要。 hFKednc

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评估CMOS技术在77GHz工作的汽车雷达中的适用性的一种方法是查看晶体管的速度。CMOS技术的传输频率进入传统上由BiCMOS工艺主导的雷达汽车市场,BiCMOS工艺在整体雷达市场中占据了2/3以上的份额。在目前用于雷达的CMOS工艺中,22nm的FD-SOI技术明显优于finfet和bulk技术,并且与最先进的SiGe技术相媲美。hFKednc

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这种技术被诸多雷达芯片制造商,如博世和Arbe,视为雷达的最先进CMOS技术,能够提供fT > 350 GHz和Fmax > 390 GHz的晶体管,以及其他几个独特的优势,将在下一节中描述。 hFKednc

 FD-SOI技术的独特特性 

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FD-SOI与传统的体硅技术相比,具有更好的性能和更低的功耗,在设计和制造过程中具有更多的灵活性。FD-SOI晶体管具有几个独特特性,比如能够在低电压下工作、抵消PVTA(Process, Voltage, Temperature, Aging)变化、对辐射几乎不敏感,以及表现出非常高的固有晶体管速度,这使其成为优于其他RF-CMOS技术替代方案的理想选择。 hFKednc

1)FD-SOI和超低电压 hFKednc

由于其固有的低变异性特性和Body Bias技术,FD-SOI能够在非常低的供电电压下工作,甚至可以达到0.4V或更低,这使其成为对功耗非常关键的应用的理想技术。降低供电电压可以减少动态功耗,这是与其他技术相比的独特优势,允许在功耗比性能更为重要的应用中更高效地使用电能。 hFKednc

2)FD-SOI和软错误率 hFKednc

FD-SOI以其高抗高能粒子的特性而闻名,高能粒子可能导致电子器件出现软错误。这是因为在FD-SOI中,活动器件区域与基底之间由薄薄的绝缘层(称为Box)隔开。埋藏的氧化物层降低了器件对在基底中产生的电荷的敏感性,使其不太可能发生软错误。这使FD-SOI成为诸如先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶系统(AD)等对安全性要求极高的应用的理想技术。 hFKednc

3)FD-SOI和Body BiashFKednc

Body Bias允许在制造后对器件的阈值电压进行控制,在汽车应用中是一个非常有用的工具,并且已经在许多消费者和汽车产品中广泛使用,用于PVTA补偿。通过在产品中实施体偏压,可以达到显著减少工艺、电压、温度和老化变化的目标,简化产品工程师确保产品规格在1 ppm以下的任务。在数字方面,最近开发了新的自适应技术ABB,允许应用设计在广泛的工作条件下(如温度、制造变异性和供电电压)维持目标操作频率。构能够使22nm FD-SOI技术的处理器能效提高30%,并将操作频率提高450%。hFKednc

4) FD-SOI和模拟/射频 hFKednc

随着速度、噪声、功耗、漏电和变异性目标变得越来越难以实现,FD-SOI技术通过提供改进的晶体管匹配度、增益和寄生参数,简化了模拟和射频模块的设计。将尽可能多的模拟/射频功能组合到单一的RF-CMOS硅平台中对于成本和功耗效率而言变得更加重要,但是RF-CMOS平台在频率上的增加,特别是在毫米波频谱中,面临着越来越多的困难。FinFET结构具有更多的架构限制,因此在这个频率范围内通常使用SiGe-Bipolar平台。由于FD-SOI是一种平面技术,它不具备3D器件的限制,其Ft/Fmax在350 GHz至410 GHz的范围内,可以充分利用毫米波频谱,使FD-SOI RF-CMOS平台成为各种应用(如汽车雷达)的有前途的选择。 hFKednc

5)FD-SOI和性能增强器 hFKednc

Smartcut技术已被用于将伪形生长的硅薄膜通过完全松弛的SiGe缓冲层作为供体晶片转移,形成独特的应变硅绝缘体(SSOI)晶片。SSOI技术是SOI技术的自然延伸,结合了SOI的优势和张力应变硅的载流子迁移率增强,适用于高性能低功耗应用。n通道和p通道晶体管的性能提高,用于提高逻辑和射频性能,n通道FD-SOI器件的饱和电流(Ion)在20%张力应变硅通道下增加28%,在未松弛张力应变的情况下通过Ge凝聚在35% c-SiGe中形成,Ion增加16%。在形成cSiGe通道之前通过局部张力应变的方法,性能将更高,可超过25%的cSiGe。hFKednc

应变硅对绝缘体上的晶体管的提高性能,降低功耗,减少漏电电流等目标越来越难以实现,FD-SOI技术通过在晶体管中提供改进的匹配、增益和寄生参数,为模拟和RF模块的设计提供了解决方案。将尽可能多的模拟/RF功能集成到单一的RF-CMOS硅平台中对于成本和功耗效率而言变得更加重要,但是RF-CMOS平台在频率上的增加,特别是在毫米波频谱中,面临着越来越多的困难。FinFET结构具有更多的架构限制,因此在这个频率范围内通常使用SiGe-Bipolar平台。hFKednc

FD-SOI是一种平面技术,不具备3D器件的限制,其Ft/Fmax在350 GHz至410 GHz的范围内,可以充分利用毫米波频谱,使FD-SOI RF-CMOS平台成为各种应用(如汽车雷达)的有前途的选择。 hFKednc

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集成模拟前端和数字信号处理的SoC是下一代雷达技术的合理选择,允许在传感器操作期间高效、广泛地监测多个参数并进行实时评估,这对于符合安全性要求的应用是必不可少的。传统上,雷达系统是使用离散元件实现的,这增加了功耗和整个系统成本。FD-SOI技术看似是汽车雷达的理想技术和自然演变。FD-SOI技术结合了无掺杂通道的高迁移率、相同设计规则下最小的总电容、低功耗数字功能和硅基迁移率增强的选项,这些功能极大地提高了数字和RF/mmWave功能的性能,为开发完全集成的雷达设备提供了理想平台。hFKednc

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责编:Ricardo
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