Bezvadu sistēmas realizācija, izmantojot RF jaudas pastiprinātāja draiveri

Pašlaik 8Vpp un impulsa platuma modulācijas RF augstsprieguma / lieljaudas draiverus var realizēt, pamatojoties uz 1.2V 65nm CMOS tehnoloģiju. Darba frekvences diapazonā no 0.9 līdz 3.6 GHz mikroshēma var nodrošināt maksimālo izejas svārstību 8.04 Vpp līdz 50Ω slodzei pie 9V darba sprieguma. Tas ļauj CMOS draiveriem tieši savienot un vadīt enerģijas tranzistorus, piemēram, LDMOS un GaN. Šī draivera maksimālā pretestība ir 4.6Ω. Darbības cikla vadības diapazons, kas mērīts pie 2.4 GHz, ir no 30.7% līdz 71.5%. Izmantojot jaunu plāna oksīda slāņa notekas pagarinātāju MOS ierīci, draiveris var sasniegt uzticamu augstsprieguma darbību, un šai jaunajai ierīcei nav nepieciešamas papildu izmaksas, ja to ievieš CMOS tehnoloģija.

Mūsdienu bezvadu rokas sakaru radioaparāti (ieskaitot radiofrekvenču (RF) jaudas pastiprinātājus (PA)) visi tiek ieviesti dziļos submikronos CMOS. Tomēr bezvadu infrastruktūras sistēmās, ņemot vērā nepieciešamību pēc lielākiem izejas jaudas līmeņiem, ir nepieciešams sasniegt RF PA, izmantojot silīcija LDMOS vai hibrīdās tehnoloģijas (piemēram, GaA un modernākas GaN). Nākamās paaudzes pārkonfigurējamām infrastruktūras sistēmām Citiem vārdiem sakot, slēdžu režīms PA (SMPA), šķiet, nodrošina vajadzīgo elastību un augstu veiktspēju daudzjoslu daudzmodu raidītājiem. Tomēr, lai savienotu bāzes stacijas SMPA izmantotos lieljaudas tranzistorus ar visiem raidītāja digitālajiem CMOS moduļiem, ir nepieciešams platjoslas RF CMOS draiveris, kas spēj radīt augstsprieguma (HV) šūpoles. Tas var ne tikai sasniegt labāku lieljaudas tranzistora veiktspēju, bet arī tieši izmantot digitālo signālu apstrādi, lai kontrolētu nepieciešamo SMPA ieejas impulsa viļņu formu, tādējādi uzlabojot sistēmas kopējo veiktspēju.

Dizaina izaicinājums

LDMOS vai GaN SMPA ieejas kapacitāte parasti ir vairākas pikofarādes, un tām jābūt virzītām ar impulsa signālu, kura amplitūda pārsniedz 5 Vpp. Tāpēc SMPA CMOS draiverim jānodrošina gan augstsprieguma, gan vata līmeņa RF jauda. Diemžēl dziļi submikronu CMOS rada daudz izaicinājumu augstsprieguma un jaudīgas pastiprinātāju un draiveru realizēšanai, īpaši ārkārtīgi zemu maksimālo darba spriegumu (ti, zemu sadalīšanās spriegumu, ko izraisa uzticamības problēmas) un pasīvos pasīvos ar lieliem zaudējumiem. Ierīces (piemēram, pretestības pārveidošanai).

Esošie risinājumi

Augstsprieguma ķēžu ieviešanai nav daudz metožu. Var izmantot tehniskus risinājumus (piemēram, daudzvārstu oksīdu), ar kuriem var realizēt augstsprieguma tolerances tranzistorus, taču izmaksas ir tādas, ka ražošanas process ir dārgs, un CMOS bāzes procesam jāpievieno papildu maskas un apstrādes darbības, tāpēc risinājums nav ideāls. Turklāt, lai droši palielinātu augstsprieguma pielaidi, var izmantot ķēdes shēmu, izmantojot tikai standarta bāzes līnijas tranzistorus (izmantojot plānas / biezas oksīda ierīces). Otrajā metodē ierīču sakraušana vai sērijveida katodi ir visizplatītākie piemēri. Tomēr RF sarežģītībai un veiktspējai ir lieli ierobežojumi, īpaši, ja sērijveidā pievienoto katoda (vai sakrauto) ierīču skaits palielinās līdz 2 vai vairāk. Vēl viens veids, kā ieviest augstsprieguma ķēdes, ir CMOS bāzes tehnoloģijā izmantot pagarinātus kanalizācijas lauka tranzistorus (EDMOS), kā aprakstīts šajā rakstā.

Jauns risinājums

Drenāžas pagarināšanas ierīces pamatā ir inteliģenta elektroinstalācijas tehnoloģija, kas gūst labumu no ļoti smalku izmēru realizācijas ACTIVE (silīcijs), STI (oksīds) un GATE (polisilīcija) reģionos un bāzes līniju izmantošanas bez papildu izmaksām Dziļi submikroni CMOS tehnoloģija realizē divus augstsprieguma tolerances tranzistorus - PMOS un NMOS. Lai gan šo EDMOS ierīču RF veiktspēja faktiski ir zemāka, salīdzinot ar standarta tranzistoriem, kas izmanto šo procesu, tos joprojām var izmantot visā augstsprieguma ķēdē, jo tiek novērsti svarīgi zaudējumu mehānismi, kas saistīti ar citām HV ekvivalentām ķēdēm (piemēram, sērijas katodiem ) Lai sasniegtu augstāku kopējo sniegumu.

Tāpēc šajā rakstā aprakstītajā augstsprieguma CMOS draiveru topoloģijā tiek izmantotas EDMOS ierīces, lai izvairītos no ierīču sakraušanas. RF CMOS draiveris pieņem plānas oksīda slāņa EDMOS ierīces un tiek ražots, izmantojot 65 nm zemas gaidīšanas jaudas bāzes CMOS procesu, un nav nepieciešami papildu maskas soļi vai procesi. PMOS un NMOS šajās ierīcēs izmērītais fT pārsniedz attiecīgi 30GHz un 50GHz, un to sadalīšanās spriegums ir ierobežots līdz 12V. Ātrgaitas CMOS draiveri ir nepieredzēti sasnieguši 8Vpp izejas svārstības līdz 3.6GHz. Šāda platjoslas plaisā balstīta SMPA nodrošina braukšanu.

1. attēls ir šeit aprakstītās draivera struktūras shematiska shēma. Izejas stadijā ietilpst uz EDMOS balstīts invertors. EDMOS ierīces var tieši vadīt ar zemsprieguma ātrgaitas standarta tranzistoriem, kas vienkāršo izejas posma un citu digitālo un analogo CMOS ķēžu integrāciju vienā mikroshēmā. Katru EDMOS tranzistoru vada konusveida buferis (buferis A un B 1. attēlā), ko realizē 3 CMOS invertora posmi. Abiem buferiem ir atšķirīgi līdzstrāvas līmeņi, lai nodrošinātu, ka katrs CMOS invertors var stabili darboties pie 1.2 V sprieguma (to ierobežo tehnoloģija, tas ir, VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2 V). Lai izmantotu dažādus strāvas padeves spriegumus un ļautu darboties vienādi ar maiņstrāvu, abiem buferiem ir tieši tāda pati struktūra un tie ir iebūvēti atsevišķā Deep N-Well (DNW) slānī. Vadītāja izejas svārstības nosaka VDD1-VSS0, un jebkuru vērtību, kas nepārsniedz EDMOS ierīces maksimālo sadalīšanās spriegumu, var izvēlēties pēc vēlēšanās, savukārt iekšējā draivera darbība paliek nemainīga. Līdzstrāvas līmeņa maiņas shēma var atdalīt katra bufera ieejas signālu.

1. attēls. RF CMOS piedziņas ķēdes shēma un atbilstošās sprieguma viļņu formas.

Vēl viena CMOS draivera funkcija ir kontrolēt izejas kvadrātveida viļņa impulsa platumu, kas tiek realizēts ar impulsa platuma modulāciju (PWM), izmantojot mainīgu vārtu neobjektivitātes tehnoloģiju. PWM vadība palīdz sasniegt precizēšanas un noskaņošanas funkcijas, tādējādi uzlabojot uzlaboto SMPA ierīču veiktspēju. Buferu A un B pirmā invertora (M3) novirzes līmenis var pārvietoties uz augšu / uz leju RF sinusoidālā ieejas signālā, atsaucoties uz paša invertora pārslēgšanās slieksni. Novirzes sprieguma maiņa mainīs invertora M3 izejas impulsa platumu. Tad PWM signāls tiks pārraidīts caur diviem pārējiem invertoriem M2 un M1 un tiks apvienots RF draivera izejas posmā (EDMOS).