RF güç amplifikatörü sürücüsü kullanılarak kablosuz sistemin gerçekleştirilmesi

Şu anda, 8Vpp ve darbe genişlik modülasyonlu RF yüksek voltaj / yüksek güçlü sürücüler 1.2V 65nm CMOS teknolojisi temelinde gerçekleştirilebilir. Çip, 0.9 ila 3.6 GHz çalışma frekansı aralığında, 8.04 V çalışma voltajında 50 yüke maksimum 9 Vpp çıkış salınımı sağlayabilir. Bu, CMOS sürücülerinin LDMOS ve GaN gibi güç transistörlerini doğrudan bağlamasına ve çalıştırmasına olanak tanır. Bu sürücünün maksimum açık direnci 4.6Ω'dur. 2.4 GHz'de ölçülen görev döngüsü kontrol aralığı% 30.7 ila% 71.5'tir. Yeni bir ince oksit tabakası tahliye uzatma MOS cihazı kullanarak, sürücü güvenilir yüksek voltajlı çalışma elde edebilir ve bu yeni cihaz CMOS teknolojisi ile uygulandığında ek maliyet gerektirmez.

Modern kablosuz el iletişim radyolarının (radyo frekansı (RF) güç amplifikatörleri (PA) dahil) hepsi derin mikron altı CMOS'ta uygulanmaktadır. Bununla birlikte, kablosuz altyapı sistemlerinde, daha büyük çıkış gücü seviyelerine duyulan ihtiyaç nedeniyle, silikon LDMOS veya hibrit teknolojiler (GaA ve daha gelişmiş GaN gibi) aracılığıyla RF PA elde etmek gerekir. Yeni nesil yeniden yapılandırılabilir altyapı sistemleri için Diğer bir deyişle, anahtar modu PA (SMPA), çok bantlı çok modlu vericiler için gerekli esnekliği ve yüksek performansı sağlıyor gibi görünüyor. Bununla birlikte, baz istasyonunun SMPA'sında kullanılan yüksek güçlü transistörleri vericinin tüm dijital CMOS modüllerine bağlamak için, yüksek voltaj (HV) salınımı üretebilen geniş bantlı bir RF CMOS sürücüsü gereklidir. Bu sadece daha iyi yüksek güçlü transistör performansı elde etmekle kalmaz, aynı zamanda gerekli SMPA giriş darbe dalga biçimini kontrol etmek için doğrudan dijital sinyal işlemeyi kullanabilir ve böylece sistemin genel performansını iyileştirebilir.

Tasarım zorluğu

LDMOS veya GaN SMPA'nın giriş kapasitansı genellikle birkaç pikofaraddır ve 5Vpp'den daha yüksek bir genliğe sahip bir darbe sinyali ile sürülmelidir. Bu nedenle, SMPA CMOS sürücüsü hem yüksek voltaj hem de watt düzeyinde RF gücü sağlamalıdır. Ne yazık ki, derin mikron altı CMOS, yüksek voltajlı ve yüksek güçlü amplifikatörlerin ve sürücülerin, özellikle son derece düşük maksimum çalışma voltajının (yani, güvenilirlik sorunlarının neden olduğu düşük arıza voltajı) ve büyük kayıplara sahip pasif pasiflerin gerçekleştirilmesinde birçok zorluk çıkarmaktadır. Cihazlar (örneğin empedans dönüşümü için).

Mevcut çözümler

Yüksek voltaj devrelerini uygulamak için pek çok yöntem yoktur. Yüksek voltaj toleranslı transistörleri gerçekleştirebilen teknik çözümler (çoklu geçit oksit gibi) kullanılabilir, ancak maliyet, üretim sürecinin pahalı olması ve temel CMOS sürecine ek maskeler ve işlem adımlarının eklenmesi gerektiğidir. çözüm ideal değil. Ek olarak, yüksek voltaj toleransını güvenilir bir şekilde artırmak için, yalnızca standart temel hat transistörlerini kullanan bir devre şeması (ince / kalın oksit aygıtları kullanılarak) kullanılabilir. İkinci yöntemde, cihaz istifleme veya seri katotlar en yaygın örneklerdir. Bununla birlikte, RF'nin karmaşıklığı ve performansı, özellikle seri bağlı katot (veya istiflenmiş) cihazların sayısı 2 veya daha fazla arttığında büyük sınırlamalara sahiptir. Yüksek voltaj devrelerini uygulamanın bir başka yolu, bu makalede anlatıldığı gibi temel CMOS teknolojisinde boşaltma genişletilmiş alan etkili transistörleri (EDMOS) kullanmaktır.

Yeni çözüm

Tahliye uzatma cihazı, ACTIVE (silikon), STI (oksit) ve GATE (polisilikon) bölgelerinde çok ince boyutların gerçekleştirilmesinden ve ek maliyetler olmadan taban hatlarının kullanımından yararlanan akıllı kablolama teknolojisine dayanmaktadır Derin mikron altı CMOS teknolojisi, iki yüksek voltaj toleranslı transistörü, PMOS ve NMOS'u gerçekleştirir. Bu EDMOS cihazlarının RF performansı, bu işlemi kullanan standart transistörlere kıyasla aslında daha düşük olsa da, diğer HV eşdeğer devrelerle (seri katotlar gibi) ilişkili önemli kayıp mekanizmalarının ortadan kaldırılması nedeniyle, tüm yüksek voltaj devresinde kullanılabilirler. ) Daha yüksek genel performans elde etmek için.

Bu nedenle, bu makalede açıklanan yüksek voltajlı CMOS sürücü topolojisi, aygıt yığınlamasını önlemek için EDMOS aygıtlarını kullanır. RF CMOS sürücüsü, ince oksit tabakalı EDMOS cihazlarını benimser ve 65nm düşük bekleme gücü temel CMOS işlemiyle üretilir ve hiçbir ek maske adımı veya işlemi gerekmez. PMOS ve NMOS için, bu cihazlarda ölçülen fT sırasıyla 30GHz ve 50GHz'i aşar ve arıza voltajları 12V ile sınırlıdır. Yüksek hızlı CMOS sürücüleri, eşi görülmemiş bir şekilde 8GHz'e kadar 3.6Vpp'lik bir çıkış salınımına ulaştı. Böylesine geniş bir bant aralığı tabanlı SMPA sürüş sağlar.

Şekil 1, burada açıklanan sürücünün yapısının şematik bir diyagramıdır. Çıkış aşaması, EDMOS tabanlı bir inverter içerir. EDMOS cihazları, çıkış aşaması ile diğer dijital ve analog CMOS devrelerinin tek bir çip üzerinde entegrasyonunu basitleştiren düşük voltajlı yüksek hızlı standart transistörler tarafından doğrudan çalıştırılabilir. Her EDMOS transistörü, 1 CMOS invertör aşaması tarafından uygulanan konik bir tampon (Şekil 3'de tampon A ve B) tarafından çalıştırılır. İki tampon, her CMOS invertörünün 1.2 V gerilimde kararlı bir şekilde çalışabilmesini sağlamak için farklı DC seviyelerine sahiptir (teknoloji ile sınırlıdır, yani VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2V). Farklı güç kaynağı voltajlarını kullanmak ve aynı AC çalışmasına izin vermek için, iki tampon tam olarak aynı yapıya sahiptir ve ayrı bir Derin N-Kuyusu (DNW) katmanına yerleştirilmiştir. Sürücünün çıkış salınımı VDD1-VSS0 tarafından belirlenir ve dahili sürücünün çalışması değişmeden kalırken, EDMOS cihazının maksimum arıza gerilimini aşmayan herhangi bir değer isteğe göre seçilebilir. DC seviye kaydırma devresi, her tamponun giriş sinyalini ayırabilir.

Şekil 1. RF CMOS sürücü devresinin ve ilgili voltaj dalga biçimlerinin şematik diyagramı.

CMOS sürücüsünün diğer bir işlevi, değişken geçit önyargı teknolojisi aracılığıyla darbe genişlik modülasyonu (PWM) ile gerçekleştirilen çıktı kare dalgasının darbe genişliğini kontrol etmektir. PWM kontrolü, ince ayar ve ayarlama işlevlerinin elde edilmesine yardımcı olarak gelişmiş SMPA cihazlarının performansını artırır. A ve B tamponlarının birinci invertörünün (M3) önyargı seviyesi, inverterin kendisinin anahtarlama eşiğine göre RF sinüzoidal giriş sinyalini yukarı / aşağı hareket ettirebilir. Öngerilim geriliminin değişimi, inverter M3'ün çıkış darbe genişliğini değiştirecektir. Ardından, PWM sinyali diğer iki inverter M2 ve M1 üzerinden iletilecek ve RF sürücüsünün çıkış aşamasında (EDMOS) birleştirilecektir.