Realizacija bežičnog sustava pomoću RF pojačala snage pojačala

Trenutno se 8Vpp i modul modulacije širine impulsa RF visokonaponski / velike snage mogu realizirati na osnovi 1.2V 65nm CMOS tehnologije. Unutar raspona radnih frekvencija od 0.9 do 3.6 GHz, čip može pružiti maksimalni izlazni zamah od 8.04 Vpp na opterećenje od 50Ω pri radnom naponu od 9 V. To omogućuje CMOS upravljačkim programima da se izravno povežu i upravljaju tranzistorima snage kao što su LDMOS i GaN. Maksimalni otpor ovog pokretača je 4.6Ω. Područje upravljanja radnim ciklusom izmjereno na 2.4 GHz iznosi 30.7% do 71.5%. Korištenjem novog MOS uređaja za produženje odvoda tankog oksidnog sloja, vozač može postići pouzdan rad visokog napona, a ovaj novi uređaj ne zahtijeva dodatne troškove kada ga implementira CMOS tehnologija.

Moderni bežični ručni komunikacijski radio (uključujući pojačala snage RF (RF)) svi su implementirani u duboki submikronski CMOS. Međutim, u sustavima bežične infrastrukture, zbog potrebe za većim razinama izlazne snage, potrebno je postići RF PA pomoću silicijskog LDMOS-a ili hibridnih tehnologija (kao što su GaA i napredniji GaN). Za sljedeću generaciju infrastrukture koja se može konfigurirati. Drugim riječima, čini se da sklopni način rada PA (SMPA) pruža potrebnu fleksibilnost i visoke performanse za višepojasne višemodne odašiljače. Međutim, da bi se tranzistori velike snage koji se koriste u SMPA bazne stanice povezali sa svim digitalnim CMOS modulima odašiljača, potreban je širokopojasni RF CMOS pokretački program sposoban generirati visokonaponski zamah (HV). To ne samo da može postići bolje performanse tranzistora velike snage, već također može izravno koristiti digitalnu obradu signala za kontrolu potrebnog SMPA ulaznog impulsnog oblika, čime se poboljšavaju ukupne performanse sustava.

Dizajn izazov

Ulazni kapacitet LDMOS-a ili GaN SMPA obično je nekoliko pikofarada i mora se pokretati impulsnim signalom s amplitudom većom od 5Vpp. Stoga SMPA CMOS pokretački program mora pružati visokonaponski i vatni nivo RF snage. Nažalost, duboki submikron CMOS postavlja mnoge izazove u realizaciji visokonaponskih i jakih pojačala i pogonskih sklopova, posebno izuzetno niskog maksimalnog radnog napona (tj. Niskog napona proboja uzrokovanog problemima pouzdanosti) i pasivnih pasivnih pasiva s velikim gubicima. Uređaji (na primjer za transformaciju impedancije).

Postojeća rješenja

Ne postoji mnogo metoda za implementaciju visokonaponskih krugova. Mogu se koristiti tehnička rješenja (poput multi-gate oksida) koja mogu realizirati visokonaponske tolerancijske tranzistore, ali trošak je u tome što je proizvodni postupak skup, a osnovni CMOS postupak moraju dodati dodatne maske i korake obrade, tako da ovaj rješenje nije idealno. Pored toga, kako bi se pouzdano povećala tolerancija visokog napona, može se koristiti shema sklopova koja koristi samo standardne tranzistore osnovne linije (koji koriste uređaje tankog / debelog oksida). U drugoj su metodi najčešće slaganje uređaja ili serijske katode. Međutim, složenost i performanse RF imaju velika ograničenja, posebno kada se broj serijski povezanih katodnih (ili složenih) uređaja poveća na 2 ili više. Drugi način implementacije visokonaponskih krugova je upotreba tranzistora s efektom polja s produljenim protokom (EDMOS) u osnovnoj CMOS tehnologiji kako je opisano u ovom članku.

Novo rješenje

Uređaj za produženje odvoda zasnovan je na inteligentnoj tehnologiji ožičenja, što koristi ostvarenju vrlo finih dimenzija u ACTIVE (silicij), STI (oksidni) i GATE (polisilicijski) području, te upotreba polaznih crta bez dodatnih troškova Dubinski submikron CMOS tehnologija ostvaruje dva visokonaponska tolerancijska tranzistora, PMOS i NMOS. Iako su RF performanse ovih EDMOS uređaja zapravo niže u usporedbi sa standardnim tranzistorima koji koriste ovaj postupak, oni se i dalje mogu koristiti u cijelom visokonaponskom krugu zbog uklanjanja važnih mehanizama gubitaka povezanih s drugim VN ekvivalentnim krugovima (poput serijskih katoda ) Da bi se postigle veće ukupne performanse.

Stoga topologija visokonaponskog CMOS upravljačkog programa opisana u ovom članku koristi EDMOS uređaje kako bi se izbjeglo slaganje uređaja. RF CMOS pokretački program prihvaća EDMOS uređaje s tankim oksidnim slojem i proizveden je kroz osnovni CMOS postupak s 65 nm niskog stanja mirovanja, a nisu potrebni dodatni koraci ili postupci maskiranja. Za PMOS i NMOS, fT izmjeren na ovim uređajima premašuje 30GHz, odnosno 50GHz, a njihov probojni napon ograničen je na 12V. Brzi CMOS upravljački programi bez presedana su postigli izlazni zamah od 8Vpp do 3.6GHz. Takav SMPA zasnovan na širokom pojasu omogućuje vožnju.

Slika 1 je shematski dijagram strukture ovdje opisanog pokretačkog programa. Izlazna faza uključuje pretvarač zasnovan na EDMOS-u. EDMOS uređaji mogu se izravno pokretati niskonaponskim brzim standardnim tranzistorima, što pojednostavljuje integraciju izlaznog stupnja i ostalih digitalnih i analognih CMOS sklopova na jednom čipu. Svaki EDMOS tranzistor pokreće se suženim međuspremnikom (međuspremnik A i B na slici 1) implementiran s 3 stupnja CMOS pretvarača. Dva međuspremnika imaju različite razine istosmjerne struje kako bi se osiguralo da svaki CMOS pretvarač može stabilno raditi na naponu od 1.2 V (ograničeno tehnologijom, odnosno VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2V). Kako bi se koristili različiti naponi napajanja i omogućio isti rad izmjeničnog napona, dva međuspremnika imaju potpuno istu strukturu i ugrađena su u zasebni sloj duboke N-bušotine (DNW). Izlazni zamah pokretačkog programa određuje VDD1-VSS0, a bilo koja vrijednost koja ne premašuje maksimalni napon proboja EDMOS uređaja može se odabrati po volji, dok rad unutarnjeg pokretačkog programa ostaje nepromijenjen. Krug za pomicanje istosmjerne razine može odvojiti ulazni signal svakog međuspremnika.

Slika 1. Shematski dijagram pogonskog kruga RF CMOS-a i odgovarajućih valnih oblika napona.

Sljedeća funkcija CMOS pokretačkog programa je upravljanje širinom impulsa izlaznog kvadratnog vala, što se ostvaruje modulacijom širine impulsa (PWM) kroz tehnologiju promjenjivih pristranosti vrata. PWM kontrola pomaže u postizanju funkcija finog podešavanja i podešavanja, čime se poboljšavaju performanse naprednih SMPA uređaja. Razina pristranosti prvog pretvarača (M3) odbojnika A i B može se pomicati gore / dolje RF sinusoidnim ulaznim signalom u odnosu na preklopni prag samog pretvarača. Promjena napona pristranosti promijenit će širinu izlaznog impulsa pretvarača M3. Tada će se PWM signal prenositi kroz druga dva pretvarača M2 i M1 i kombinirati u izlaznom stupnju (EDMOS) RF upravljačkog programa.