Avance en CMOS de 65 nm: Cómo este filtro compacto resuelve el dilema de la selectividad subterahertz

La carrera por alcanzar velocidades de datos del orden de terabits por segundo está impulsando los sistemas inalámbricos hacia el rango subterahertz. La congestión del espectro en las bandas inferiores obliga a los ingenieros a enfrentar límites físicos. Los componentes pasivos tradicionales no pueden seguir el ritmo de estas altas frecuencias. La clave está en integrar los circuitos directamente en el chip para eliminar los parásitos del embalaje y mejorar la fiabilidad. Sin embargo, la tecnología CMOS estándar tiene dificultades aquí. Los sustratos de silicio con pérdidas y las pilas densas de metales degradan el factor de calidad de inductores y capacitores esenciales. Esto crea un cuello de botella importante para las comunicaciones de alta velocidad.

Los investigadores han presentado ahora un nuevo filtro paso banda diseñado específicamente para la tecnología CMOS de 65 nm. Este diseño emplea una arquitectura de resonador dual con modos cargados por tramos cortos para lograr una selectividad de frecuencia excepcional sin aumentar el área del circuito. Los métodos convencionales suelen depender de análisis numéricos complejos de modos par e impar. Este nuevo enfoque ofrece algo diferente. Introduce un modelo de circuito equivalente LC que proporciona un análisis cerrado de polos y ceros. Esta claridad matemática permite a los ingenieros controlar con precisión los ceros de transmisión. Estos ceros son críticos para afilar la transición entre la banda de paso y la banda de rechazo.

La innovación central implica una topología acoplada cruzadamente que sitúa los ceros de transmisión directamente dentro de la banda de paso inicial. Al reutilizar los brazos del resonador SLR para el acoplamiento cruzado en lugar de añadir estructuras dedicadas, el diseño reduce el costo de área típicamente asociado con los filtros de alta selectividad. El prototipo resultante opera a una frecuencia central de 178 GHz con un ancho de banda fraccional del 25 %. Las mediciones muestran una atenuación de inserción de solo 5,0 dB. El factor de forma alcanza un impresionante 0,51, lo que indica una transición muy pronunciada desde la banda de paso hasta la banda de rechazo.

Este filtro ocupa un área de chip mínima de 0,129 por 0,273 mm². Normalizado a solo 0,0124 lambda cuadrado, esta huella compacta lo hace altamente adecuado para plataformas de sistema en chip. Permite la integración de dúplexores por división de frecuencia, la supresión de bandas imagen en radiómetros y la reducción de ruido en sistemas de imagen. Mientras que los filtros de elementos concentrados tienen problemas por encima de los 100 GHz debido a la degradación del factor de calidad de los capacitores, y otros filtros distribuidos suelen sacrificar selectividad por tamaño, este diseño logra un equilibrio óptimo. Supera a muchas entradas CMOS y BiCMOS de última generación en cuanto al factor de forma mientras mantiene un área absoluta competitiva. Este avance marca un paso significativo hacia la viabilidad de las comunicaciones subterahertz de alta velocidad e integridad dentro de los procesos estándar de fabricación de semiconductores.