Realisatie van een draadloos systeem met behulp van een RF-versterker

Momenteel kunnen 8Vpp- en pulsbreedtemodulatie RF-hoogspannings- / hoogvermogenstuurprogramma's worden gerealiseerd op basis van 1.2 V 65 nm CMOS-technologie. Binnen het frequentiebereik van 0.9 tot 3.6 GHz kan de chip een maximale output-swing van 8.04 Vpp leveren tot een belasting van 50 Ω bij een bedrijfsspanning van 9 V. Hierdoor kunnen CMOS-stuurprogramma's direct vermogenstransistors zoals LDMOS en GaN aansluiten en aansturen. De maximale inschakelweerstand van deze driver is 4.6Ω. Het controlebereik van de werkcyclus gemeten op 2.4 GHz is 30.7% tot 71.5%. Door een nieuw MOS-apparaat voor het verlengen van de afvoer met een dunne oxidelaag te gebruiken, kan de bestuurder een betrouwbare werking bij hoogspanning bereiken, en dit nieuwe apparaat vereist geen extra kosten wanneer het wordt geïmplementeerd door CMOS-technologie.

Moderne draadloze handheld communicatieradio's (inclusief radiofrequentie (RF) eindversterkers (PA)) zijn allemaal geïmplementeerd in diepe submicron CMOS. In draadloze infrastructuursystemen is het echter vanwege de behoefte aan grotere uitgangsvermogensniveaus noodzakelijk om RF PA te bereiken via silicium LDMOS of hybride technologieën (zoals GaA en geavanceerder GaN). Voor de volgende generatie herconfigureerbare infrastructuursystemen Met andere woorden, de switch mode PA (SMPA) lijkt de vereiste flexibiliteit en hoge prestaties te bieden voor multi-band multi-mode zenders. Om de hoogvermogenstransistors die in de SMPA van het basisstation worden gebruikt, te verbinden met alle digitale CMOS-modules van de zender, is echter een breedbandige RF CMOS-driver vereist die een hoogspanningszwaai (HV) kan genereren. Dit kan niet alleen betere transistorprestaties met hoog vermogen bereiken, maar kan ook rechtstreeks gebruikmaken van digitale signaalverwerking om de vereiste SMPA-ingangspulsgolfvorm te regelen, waardoor de algehele prestaties van het systeem worden verbeterd.

Ontwerp uitdaging

De ingangscapaciteit van LDMOS of GaN SMPA is meestal meerdere picofarads en moet worden aangestuurd door een pulssignaal met een amplitude hoger dan 5Vpp. Daarom moet de SMPA CMOS-driver zowel hoogspanning als RF-vermogen op wattniveau leveren. Helaas stelt diepe submicron CMOS veel uitdagingen voor de realisatie van hoogspannings- en hoogvermogenversterkers en -drivers, vooral de extreem lage maximale bedrijfsspanning (dwz lage doorslagspanning veroorzaakt door betrouwbaarheidsproblemen) en passieve passieve passieven met grote verliezen. Apparaten (bijvoorbeeld voor impedantietransformatie).

Bestaande oplossingen

Er zijn niet veel methoden om hoogspanningscircuits te implementeren. Technische oplossingen (zoals multi-gate oxide) waarmee transistors met hoge spanningstolerantie kunnen worden gerealiseerd, kunnen worden gebruikt, maar de kostprijs is dat het productieproces duur is en dat extra maskers en verwerkingsstappen moeten worden toegevoegd aan het basis-CMOS-proces, dus dit oplossing is niet ideaal. Om de tolerantie voor hoge spanning betrouwbaar te verhogen, kan bovendien een schakelingsschema worden gebruikt dat alleen standaard basislijntransistors gebruikt (met dunne / dikke oxide-apparaten). Bij de tweede methode zijn het stapelen van apparaten of seriekathodes de meest voorkomende voorbeelden. De complexiteit en prestaties van RF hebben echter grote beperkingen, vooral wanneer het aantal in serie geschakelde kathode- (of gestapelde) apparaten toeneemt tot 2 of meer. Een andere manier om hoogspanningscircuits te implementeren, is het gebruik van drain-extended field effect transistors (EDMOS) in CMOS-baseline-technologie, zoals beschreven in dit artikel.

Nieuwe oplossing

Het afvoerverlengingsapparaat is gebaseerd op intelligente bedradingstechnologie, die profiteert van de realisatie van zeer fijne afmetingen in de ACTIVE (silicium), STI (oxide) en GATE (polysilicium) regio's, en het gebruik van basislijnen zonder extra kosten Diepe submicron CMOS-technologie realiseert twee hoogspanningstolerantietransistors, PMOS en NMOS. Hoewel de RF-prestaties van deze EDMOS-apparaten eigenlijk lager zijn in vergelijking met standaardtransistors die dit proces gebruiken, kunnen ze nog steeds worden gebruikt in het hele hoogspanningscircuit vanwege de eliminatie van belangrijke verliesmechanismen die verband houden met andere HV-equivalente circuits (zoals seriekathodes ) Om een hogere algehele prestatie te bereiken.

Daarom gebruikt de topologie van het CMOS-stuurprogramma met hoog voltage die in dit artikel wordt beschreven, EDMOS-apparaten om stapeling van apparaten te voorkomen. De RF CMOS-driver maakt gebruik van EDMOS-apparaten met een dunne oxidelaag en is vervaardigd via een 65 nm laag standby-vermogen CMOS-basislijnproces, en er zijn geen aanvullende maskerstappen of -processen vereist. Voor PMOS en NMOS overschrijdt de fT die op deze apparaten wordt gemeten respectievelijk 30 GHz en 50 GHz, en hun doorslagspanning is beperkt tot 12 V. High-speed CMOS-stuurprogramma's hebben een ongekende output-swing van 8 Vpp tot 3.6 GHz bereikt. Zo'n op brede bandafstand gebaseerde SMPA zorgt voor aansturing.

Figuur 1 is een schematisch diagram van de structuur van de hierin beschreven driver. De eindtrap bevat een op EDMOS gebaseerde omvormer. EDMOS-apparaten kunnen rechtstreeks worden aangestuurd door laagspannings-high-speed standaardtransistors, wat de integratie van de eindtrap en andere digitale en analoge CMOS-circuits op een enkele chip vereenvoudigt. Elke EDMOS-transistor wordt aangestuurd door een taps toelopende buffer (buffer A en B in Figuur 1) geïmplementeerd door 3 CMOS-invertertrappen. De twee buffers hebben verschillende DC-niveaus om ervoor te zorgen dat elke CMOS-omvormer stabiel kan werken bij een spanning van 1.2 V (beperkt door technologie, dat wil zeggen, VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2 V). Om verschillende voedingsspanningen te gebruiken en dezelfde AC-werking mogelijk te maken, hebben de twee buffers exact dezelfde structuur en zijn ze ingebouwd in een afzonderlijke Deep N-Well (DNW) -laag. De uitgangsswing van de driver wordt bepaald door VDD1-VSS0, en elke waarde die de maximale doorslagspanning van het EDMOS-apparaat niet overschrijdt, kan naar believen worden geselecteerd, terwijl de werking van de interne driver ongewijzigd blijft. Het DC-niveauverschuivingscircuit kan het ingangssignaal van elke buffer scheiden.

Figuur 1. Schematisch diagram van RF CMOS stuurcircuit en bijbehorende spanningsgolfvormen.

Een andere functie van de CMOS-driver is om de pulsbreedte van de vierkante uitgangsgolf te regelen, die wordt gerealiseerd door pulsbreedtemodulatie (PWM) door middel van variabele poortvoorspanningstechnologie. PWM-besturing helpt bij het bereiken van functies voor fijnafstelling en afstemming, waardoor de prestaties van geavanceerde SMPA-apparaten worden verbeterd. Het biasniveau van de eerste inverter (M3) van de buffers A en B kan omhoog / omlaag bewegen in het RF-sinusvormige ingangssignaal met verwijzing naar de schakeldrempel van de inverter zelf. De verandering van de bias-spanning zal de uitgangspulsbreedte van de inverter M3 veranderen. Vervolgens wordt het PWM-signaal verzonden via de andere twee omvormers M2 en M1 en gecombineerd in de eindtrap (EDMOS) van de RF-driver.