Langattoman järjestelmän toteuttaminen RF-vahvistimen ohjaimella

Tällä hetkellä 8 Vpp: n ja pulssinleveyden modulointitaajuuden korkeajännite- / suuritehoiset ohjaimet voidaan toteuttaa 1.2 V: n 65 nm: n CMOS-tekniikan pohjalta. Toimintataajuusalueella 0.9 - 3.6 GHz siru voi tuottaa 8.04 Vpp: n maksimilähtövaihdon 50Ω: n kuormitukseen 9 V: n käyttöjännitteellä. Tämä antaa CMOS-ohjaimille mahdollisuuden yhdistää ja ohjata suoraan transistoreita, kuten LDMOS ja GaN. Tämän ohjaimen suurin vastus on 4.6Ω. Toimintasyklin säätöalue taajuudella 2.4 GHz on 30.7% - 71.5%. Käyttämällä uutta ohuen oksidikerroksen tyhjennyksen MOS-laitetta kuljettaja voi saavuttaa luotettavan korkeajännitekäytön, eikä tämä uusi laite vaadi lisäkustannuksia CMOS-tekniikan avulla.

Nykyaikaiset langattomat kädessä pidettävät radiopuhelimet (mukaan lukien radiotaajuiset (RF) tehovahvistimet (PA)) ovat kaikki toteutettu syvässä mikronisessa CMOS: ssa. Kuitenkin langattomissa infrastruktuurijärjestelmissä, koska tarvitaan suurempia lähtötehotasoja, on välttämätöntä saavuttaa radiotaajuuspaikoitus pii-LDMOS-tekniikalla tai hybriditekniikoilla (kuten GaA ja edistyneempi GaN). Seuraavan sukupolven uudelleenkonfiguroitaville infrastruktuurijärjestelmille Toisin sanoen kytkentätila PA (SMPA) näyttää tarjoavan tarvittavan joustavuuden ja korkean suorituskyvyn monikaistaisille monitilalähettimille. Tukiaseman SMPA: ssa käytettyjen suuritehoisten transistoreiden kytkemiseksi lähettimen kaikkiin digitaalisiin CMOS-moduuleihin tarvitaan kuitenkin laajakaistainen RF CMOS -ajuri, joka kykenee tuottamaan suurjännitteisen (HV) heilahtelun. Tämä voi paitsi saavuttaa paremman suuritehoisen transistorin suorituskyvyn, mutta se voi myös suoraan käyttää digitaalista signaalinkäsittelyä tarvittavan SMPA-tulopulssin aaltomuodon hallitsemiseksi, mikä parantaa järjestelmän yleistä suorituskykyä.

Suunnitteluhaaste

LDMOS: n tai GaN SMPA: n tulokapasitanssi on yleensä useita pikofaradeja, ja sitä täytyy ohjata pulssisignaalilla, jonka amplitudi on yli 5 Vpp. Siksi SMPA CMOS -ajurin on tuotettava sekä korkeajännite- että wattitason RF-teho. Valitettavasti syvä alimikroninen CMOS asettaa monia haasteita korkeajännitteisten ja suuritehoisten vahvistimien ja ohjaimien toteutumiselle, etenkin erittäin matalalle maksimikäyttöjännitteelle (ts. Luotettavuusongelmista johtuvalle matalalle rikkoutumisjännitteelle) ja passiivisille passiivisille, joilla on suuret tappiot. Laitteet (esimerkiksi impedanssimuuntoon).

Olemassa olevat ratkaisut

Suurjännitepiirien toteuttamiseksi ei ole monia menetelmiä. Voidaan käyttää teknisiä ratkaisuja (kuten moniporttioksidia), jotka pystyvät toteuttamaan suurjännitetoleranssitransistorit, mutta kustannuksena on, että tuotantoprosessi on kallista, ja CMOS-perusprosessiin on lisättävä ylimääräisiä maskeja ja käsittelyvaiheita, joten tämä ratkaisu ei ole ihanteellinen. Lisäksi suurjännitetoleranssin luotettavaksi lisäämiseksi voidaan käyttää piirikaaviota, jossa käytetään vain tavallisia peruslinjan transistoreita (käyttäen ohuita / paksuja oksidilaitteita). Toisessa menetelmässä laitepinoaminen tai sarjakatodit ovat yleisimpiä esimerkkejä. RF: n monimutkaisuudella ja suorituskyvyllä on kuitenkin suuria rajoituksia, varsinkin kun sarjaan kytkettyjen katodilaitteiden (tai pinottujen) laitteiden määrä kasvaa kahteen tai enemmän. Toinen tapa toteuttaa suurjännitepiirejä on käyttää tyhjennyksen jatkamia kenttätransistoreita (EDMOS) CMOS-perustekniikassa, kuten tässä artikkelissa kuvataan.

Uusi ratkaisu

Tyhjennyslaite perustuu älykkääseen johdotustekniikkaan, joka hyötyy erittäin hienojen mittojen toteutumisesta AKT-alueilla (pii), STI (oksidi) ja GATE (monikiteinen pii) sekä perusviivojen käytöstä ilman lisäkustannuksia. CMOS-tekniikka toteuttaa kaksi suurjännitetoleranssitransistoria, PMOS ja NMOS. Vaikka näiden EDMOS-laitteiden RF-suorituskyky on tosiasiallisesti heikompi kuin tätä prosessia käyttävillä tavanomaisilla transistoreilla, niitä voidaan silti käyttää koko suurjännitepiirissä, koska eliminoidaan tärkeät menetysmekanismit, jotka liittyvät muihin HV-vastaaviin piireihin (kuten sarjakatodit ) Paremman yleisen suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Siksi tässä artikkelissa kuvattu korkeajännitteinen CMOS-ohjaintopologia käyttää EDMOS-laitteita laitteiden pinoamisen välttämiseksi. RF CMOS -ohjain käyttää ohuita oksidikerroksisia EDMOS-laitteita ja se on valmistettu 65 nm: n pienen valmiustilan tehon perustason CMOS-prosessin kautta, eikä ylimääräisiä maskivaiheita tai prosesseja tarvita. PMOS: n ja NMOS: n osalta näillä laitteilla mitattu fT ylittää vastaavasti 30 GHz: n ja 50 GHz: n, ja niiden rikkoutumisjännite on rajoitettu 12 V: iin. Nopeat CMOS-ohjaimet ovat ennennäkemättömästi saavuttaneet 8 Vpp: n ja 3.6 GHz: n ulostulon heilahtelun. Tällainen laajakaistaväliin perustuva SMPA tarjoaa ajamisen.

Kuvio 1 on kaaviokuva tässä kuvatun ohjaimen rakenteesta. Lähtöaste sisältää EDMOS-pohjaisen taajuusmuuttajan. EDMOS-laitteita voidaan ohjata suoraan pienjännitteisillä suurnopeuksisilla standarditransistoreilla, mikä yksinkertaistaa lähtövaiheen ja muiden digitaalisten ja analogisten CMOS-piirien integrointia yhteen siruun. Kutakin EDMOS-transistoria ohjaa kapeneva puskuri (puskuri A ja B kuvassa 1), joka on toteutettu 3 CMOS-invertterivaiheella. Kummallakin puskurilla on erilaiset DC-tasot sen varmistamiseksi, että jokainen CMOS-invertteri voi toimia vakaasti 1.2 V: n jännitteellä (tekniikan rajoitettu, toisin sanoen VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2 V). Eri virransyöttöjännitteiden käyttämiseksi ja saman AC-toiminnan mahdollistamiseksi molemmilla puskureilla on täsmälleen sama rakenne ja ne on rakennettu erilliseen Deep N-Well (DNW) -kerrokseen. Ohjaimen ulostulon heilunta määräytyy VDD1-VSS0: n avulla, ja mikä tahansa arvo, joka ei ylitä EDMOS-laitteen suurinta rikkoutumisjännitettä, voidaan valita haluamallaan tavalla, kun taas sisäisen ohjaimen toiminta pysyy muuttumattomana. DC-tasosiirtopiiri voi erottaa kunkin puskurin tulosignaalin.

Kuva 1. Kaaviokuva RF CMOS -taajuuspiiristä ja vastaavista jännitteen aaltomuodoista.

Toinen CMOS-ohjaimen tehtävä on ohjata ulostulon neliöaallon pulssin leveyttä, joka toteutetaan pulssinleveyden moduloinnilla (PWM) muuttuvan hila-bias-tekniikan avulla. PWM-ohjaus auttaa saavuttamaan hienosäätö- ja viritystoiminnot, mikä parantaa edistyneiden SMPA-laitteiden suorituskykyä. Puskurien A ja B ensimmäisen invertterin (M3) esijännitetaso voi liikkua ylös / alas RF-sinimuotoisella tulosignaalilla itse invertterin kytkentäkynnyksen suhteen. Esijännitteen muutos muuttaa taajuusmuuttajan M3 lähtöpulssin leveyttä. Sitten PWM-signaali lähetetään kahden muun taajuusmuuttajan M2 ja M1 kautta ja yhdistetään RF-ohjaimen ulostulovaiheessa (EDMOS).