Vezeték nélküli rendszer megvalósítása RF erősítő meghajtóval

Jelenleg 8 Vpp és impulzusszélesség modulációs RF nagyfeszültségű / nagy teljesítményű meghajtók valósíthatók meg 1.2 V 65 nm-es CMOS technológia alapján. A 0.9–3.6 GHz üzemi frekvenciatartományon belül a chip maximális 8.04 Vpp kimeneti lengést tud biztosítani 50Ω terhelésig 9V üzemi feszültség mellett. Ez lehetővé teszi a CMOS illesztőprogramok számára, hogy közvetlenül csatlakoztassák és meghajtják az olyan tranzisztorokat, mint az LDMOS és a GaN. A meghajtó maximális ellenállása 4.6Ω. Az üzemi ciklus szabályozási tartománya 2.4 GHz-en mérve 30.7% - 71.5%. Új vékony oxidréteg-lefolyó kiterjesztésű MOS eszköz használatával a meghajtó megbízható nagyfeszültségű működést érhet el, és ez az új eszköz nem igényel többletköltségeket, ha CMOS technológiával valósítja meg.

A modern vezeték nélküli kézi kommunikációs rádiókat (beleértve a rádiófrekvenciás (RF) erősítőket (PA)) egyaránt mély szubmikronos CMOS-ban valósítják meg. A vezeték nélküli infrastruktúra-rendszerekben azonban a nagyobb kimeneti teljesítményszint szükségessége miatt szükséges az RF PA elérése szilícium-LDMOS vagy hibrid technológiák (például GaA és fejlettebb GaN) révén. Az újrakonfigurálható infrastrukturális rendszerek következő generációja számára Más szavakkal, úgy tűnik, hogy a PA (SMPA) üzemmód biztosítja a szükséges rugalmasságot és nagy teljesítményt a többsávos, több üzemmódú adókhoz. Ahhoz azonban, hogy a bázisállomás SMPA-jában használt nagy teljesítményű tranzisztorokat az adó összes digitális CMOS moduljához csatlakoztathassuk, nagyfeszültségű (HV) lengés létrehozására alkalmas szélessávú RF CMOS meghajtóra van szükség. Ez nem csak jobb nagy teljesítményű tranzisztor teljesítményt érhet el, hanem közvetlenül felhasználhatja a digitális jelfeldolgozást is a szükséges SMPA bemeneti impulzus hullámalakjának vezérléséhez, ezáltal javítva a rendszer általános teljesítményét.

Tervezési kihívás

Az LDMOS vagy a GaN SMPA bemeneti kapacitása általában több pikofarád, és azokat 5Vpp-nél nagyobb amplitúdójú impulzusjelnek kell vezérelnie. Ezért az SMPA CMOS illesztőprogramnak mind a magas feszültségű, mind a watt szintű RF energiát kell biztosítania. Sajnos a mély szubmikronos CMOS számos kihívást jelent a nagyfeszültségű és nagy teljesítményű erősítők és meghajtók megvalósítása szempontjából, különös tekintettel a rendkívül alacsony maximális üzemi feszültségre (azaz a megbízhatósági problémák okozta alacsony megszakítási feszültségre) és a nagy veszteségekkel járó passzív passzívakra. Eszközök (például impedancia transzformációhoz).

Meglévő megoldások

A nagyfeszültségű áramkörök megvalósítására nincs sok módszer. Használhatók olyan technikai megoldások (például többkapusú oxid), amelyek képesek megvalósítani a nagyfeszültségű tolerancia tranzisztorokat, de ennek költsége az, hogy a gyártási folyamat drága, és további maszkokat és feldolgozási lépéseket kell hozzáadni az alap CMOS folyamathoz, így megoldás nem ideális. Ezenkívül a nagyfeszültség-tűrés megbízható növelése érdekében csak normál alapvezeték-tranzisztorokat alkalmazó (vékony / vastag oxid készülékeket használó) áramköri séma alkalmazható. A második módszerben a készülékek egymásra rakása vagy a sorozat katódok a leggyakoribb példák. Az RF komplexitásának és teljesítményének azonban nagy korlátai vannak, különösen akkor, ha a sorosan csatlakoztatott katódos (vagy egymásra rakott) eszközök száma 2-re vagy annál többre nő. A nagyfeszültségű áramkörök megvalósításának másik módja a lefolyás-kiterjesztett terepi tranzisztorok (EDMOS) használata az alap CMOS technológiában, a cikkben leírtak szerint.

Új megoldás

A lefolyóhosszabbító eszköz intelligens huzaltechnikán alapul, amelynek előnyei vannak az AKT (szilícium), az STI (oxid) és a GATE (poliszilícium) régiókban nagyon finom méretek megvalósításában, valamint az alapvonalak többletköltségek nélküli felhasználásában. A CMOS technológia két nagyfeszültségű tolerancia tranzisztort valósít meg, a PMOS-t és az NMOS-t. Noha ezen EDMOS eszközök RF-teljesítménye valójában alacsonyabb, mint az ezt a folyamatot használó szokásos tranzisztorok, mégis felhasználhatók a teljes nagyfeszültségű áramkörben a más HV egyenértékű áramkörökhöz kapcsolódó fontos veszteségmechanizmusok (például soros katódok) kiküszöbölése miatt. ) A magasabb általános teljesítmény elérése érdekében.

Ezért a cikkben ismertetett nagyfeszültségű CMOS illesztőprogram topológiája EDMOS eszközöket használ az eszközök egymásra kerülésének elkerülése érdekében. Az RF CMOS illesztőprogram vékony oxid rétegű EDMOS eszközöket alkalmaz, és 65 nm-es kis készenléti teljesítményű alap CMOS folyamat révén készül, és nincs szükség további maszk lépésekre vagy folyamatokra. A PMOS és az NMOS esetében az ezeken az eszközökön mért fT meghaladja a 30GHz-et, illetve az 50GHz-et, és meghibásodási feszültségük 12V-ra korlátozódik. A nagy sebességű CMOS illesztőprogramok soha nem látott módon 8Vpp kimeneti ingadozást értek el 3.6 GHz-ig. Egy ilyen széles sávú résalapú SMPA biztosítja a vezetést.

Az 1. ábra a meghajtó itt leírt szerkezetének vázlatos rajza. A kimeneti szakasz tartalmaz egy EDMOS-alapú invertert. Az EDMOS eszközök közvetlenül vezethetők kisfeszültségű, nagy sebességű szabványos tranzisztorokkal, ami egyszerűsíti a kimeneti fokozat és más digitális és analóg CMOS áramkörök integrálását egyetlen chipbe. Mindegyik EDMOS tranzisztort egy kúpos puffer (az A és B puffer az 1. ábrán) hajtja, amelyet 3 CMOS inverter szakasz hajt végre. A két puffer eltérő DC-szinttel rendelkezik annak biztosítása érdekében, hogy minden CMOS inverter stabilan működhessen 1.2 V feszültségen (a technológia korlátozza, vagyis VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2 V). A különböző tápfeszültségek használata és ugyanazon váltakozó áramú működés lehetővé tétele érdekében a két puffer pontosan azonos felépítésű, és külön Deep N-Well (DNW) rétegbe van építve. A meghajtó kimeneti lengését a VDD1-VSS0 határozza meg, és tetszés szerint kiválasztható minden olyan érték, amely nem haladja meg az EDMOS eszköz maximális megszakítási feszültségét, miközben a belső meghajtó működése változatlan marad. A DC szinteltolásos áramkör képes elválasztani az egyes pufferek bemeneti jeleit.

1. ábra: Az RF CMOS meghajtó áramkör és a megfelelő feszültség hullámalakok sematikus rajza.

A CMOS meghajtó másik funkciója a kimeneti négyzethullám impulzusszélességének szabályozása, amelyet impulzusszélesség-modulációval (PWM) valósítanak meg a változó kapu-előfeszítési technológiával. A PWM vezérlés elősegíti a finomhangolási és hangolási funkciók elérését, ezáltal javítva a fejlett SMPA eszközök teljesítményét. Az A és B pufferek első inverterének (M3) előfeszítési szintje felfelé / lefelé mozoghat az RF szinuszos bemeneti jelben, az inverter kapcsolási küszöbére hivatkozva. Az előfeszültség megváltoztatása megváltoztatja az M3 inverter kimeneti impulzusszélességét. Ezután a PWM jelet továbbítja a másik két M2 és M1 inverteren keresztül, és egyesíti az RF meghajtó kimeneti fokozatában (EDMOS).