Belaidės sistemos realizavimas naudojant RF galios stiprintuvo tvarkyklę

Šiuo metu 8Vpp ir impulsų pločio moduliavimo RF aukštos įtampos / galios tvarkykles galima realizuoti remiantis 1.2V 65nm CMOS technologija. Veikimo dažnių diapazone nuo 0.9 iki 3.6 GHz mikroschema gali užtikrinti maksimalų išėjimo svyravimą 8.04 Vpp iki 50Ω apkrovos esant 9 V darbinei įtampai. Tai leidžia CMOS tvarkyklėms tiesiogiai prijungti ir valdyti maitinimo tranzistorius, tokius kaip LDMOS ir GaN. Didžiausias šio vairuotojo atsparumas įjungimui yra 4.6Ω. Veikimo ciklo valdymo diapazonas, matuojamas 2.4 GHz dažniu, yra nuo 30.7% iki 71.5%. Naudodamas naują plono oksido sluoksnio nutekėjimo pratęsimo MOS įrenginį, tvarkyklė gali pasiekti patikimą aukštos įtampos veikimą, o šiam naujam įrenginiui nereikia papildomų išlaidų, kai jį įdiegia CMOS technologija.

Šiuolaikiniai belaidžiai delniniai ryšių radijo imtuvai (įskaitant radijo dažnio (RF) galios stiprintuvus (PA)) yra įdiegti giliame submikroniniame CMOS. Tačiau belaidėse infrastruktūros sistemose, atsižvelgiant į didesnio išėjimo galios lygio poreikį, būtina pasiekti RF PA naudojant silicio LDMOS arba hibridines technologijas (tokias kaip GaA ir pažangesnės GaN). Kitos kartos perkonfigūruojamoms infrastruktūros sistemoms Kitaip tariant, atrodo, kad perjungimo režimas PA (SMPA) suteikia reikiamą lankstumą ir aukštą našumą kelių juostų daugiarežčiams siųstuvams. Tačiau norint prijungti didelės galios tranzistorius, naudojamus bazinės stoties SMPA, prie visų siųstuvo skaitmeninių CMOS modulių, reikalinga plačiajuosčio dažnio RF CMOS tvarkyklė, galinti generuoti aukštos įtampos (HV) svyravimus. Tai ne tik gali padėti pasiekti geresnės galios tranzistoriaus našumą, bet ir tiesiogiai naudoti skaitmeninį signalo apdorojimą, norint valdyti reikiamą SMPA įvesties impulso bangos formą, taip pagerinant bendrą sistemos našumą.

Dizaino iššūkis

LDMOS arba GaN SMPA įėjimo talpa paprastai yra keletas pikofaradų ir turi būti valdoma impulso signalu, kurio amplitudė yra didesnė nei 5 Vpp. Todėl SMPA CMOS tvarkyklė turi tiekti aukštos įtampos, tiek vatų lygio RF energiją. Deja, gilus mažesnių mikronų CMOS kelia daug iššūkių realizuojant aukštos įtampos ir didelės galios stiprintuvus ir tvarkykles, ypač ypač mažą maksimalią darbinę įtampą (t. Y. Žemą gedimo įtampą, kurią sukelia patikimumo problemos) ir pasyvius pasyvius, kurių nuostoliai dideli. Prietaisai (pavyzdžiui, impedanso transformacijai).

Esami sprendimai

Metodų, kaip įgyvendinti aukštos įtampos grandines, nėra daug. Gali būti naudojami techniniai sprendimai (pvz., Kelių vartų oksidas), galintys realizuoti aukštos įtampos tolerancijos tranzistorius, tačiau kaina yra ta, kad gamybos procesas yra brangus, o prie pagrindinio CMOS proceso reikia pridėti papildomų kaukių ir apdorojimo žingsnių, taigi tai sprendimas nėra idealus. Be to, norint patikimai padidinti aukštos įtampos toleranciją, gali būti naudojama grandinės schema, naudojant tik standartinius bazinės linijos tranzistorius (naudojant plonus / storus oksido įtaisus). Antruoju metodu dažniausiai naudojami prietaisų kaupimo arba serijiniai katodai. Tačiau RF sudėtingumas ir veikimas turi didelių apribojimų, ypač kai nuosekliai sujungtų katodo (arba sukrautų) įrenginių skaičius padidėja iki 2 ar daugiau. Kitas būdas įgyvendinti aukštos įtampos grandines yra pagrindinio CMOS technologijos, kaip aprašyta šiame straipsnyje, naudojimas pratęsti nutekėjimo lauko tranzistorius (EDMOS).

Naujas sprendimas

Drenažo pratęsimo įtaisas yra pagrįstas pažangia laidų technologija, kuriai naudinga realizuoti labai smulkius matmenis ACTIVE (silicio), STI (oksido) ir GATE (polisilicio) regionuose ir naudoti bazines linijas be papildomų išlaidų. CMOS technologija realizuoja du aukštos įtampos tolerancijos tranzistorius - PMOS ir NMOS. Nors šių EDMOS įrenginių RF našumas iš tikrųjų yra mažesnis, palyginti su standartiniais tranzistoriais, naudojančiais šį procesą, jie vis tiek gali būti naudojami visoje aukštos įtampos grandinėje, nes pašalinami svarbūs nuostolių mechanizmai, susiję su kitomis HV ekvivalentinėmis grandinėmis (pvz., Serijiniai katodai ) Norint pasiekti didesnį bendrą našumą.

Todėl šiame straipsnyje aprašytoje aukštos įtampos CMOS tvarkyklės topologijoje naudojami EDMOS įrenginiai, kad būtų išvengta įrenginių kaupimo. RF CMOS tvarkyklė priima plono oksido sluoksnio EDMOS įrenginius ir yra gaminama naudojant 65 nm mažo budėjimo režimo pagrindinės CMOS procesą, todėl nereikia jokių papildomų kaukės veiksmų ar procesų. PMOS ir NMOS atveju šiuose įrenginiuose išmatuota fT viršija atitinkamai 30GHz ir 50GHz, o jų gedimo įtampa ribojama iki 12V. Didelio greičio CMOS tvarkyklės beprecedentiškai pasiekė 8 Vpp iki 3.6 GHz išėjimo svyravimus. Toks plataus dažnių juostos atotrūkio pagrindu veikiantis SMPA suteikia vairavimą.

1 paveiksle pavaizduota čia aprašytos tvarkyklės struktūros schema. Išvesties etape yra EDMOS keitiklis. EDMOS įrenginius galima tiesiogiai valdyti žemos įtampos didelės spartos standartiniais tranzistoriais, o tai supaprastina išvesties pakopos ir kitų skaitmeninių ir analoginių CMOS grandinių integravimą vienoje mikroschemoje. Kiekvieną EDMOS tranzistorių valdo kūginis buferis (A ir B buferis 1 pav.), Kurį įgyvendina 3 CMOS keitiklio pakopos. Dviejuose buferiuose yra skirtingi nuolatinės srovės lygiai, siekiant užtikrinti, kad kiekvienas CMOS keitiklis galėtų stabiliai veikti esant 1.2 V įtampai (ribojama technologijos, tai yra, VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2 V). Norint naudoti skirtingą maitinimo įtampą ir leisti tą patį kintamosios srovės režimą, abu buferiai turi visiškai tą pačią struktūrą ir yra įmontuoti į atskirą „Deep N-Well“ (DNW) sluoksnį. Tvarkyklės išėjimo svyravimą lemia VDD1-VSS0, o bet kurią vertę, neviršijančią didžiausios EDMOS įrenginio gedimo įtampos, galima pasirinkti savo nuožiūra, o vidinio tvarkyklės veikimas lieka nepakitęs. Nuolatinės srovės lygio perjungimo grandinė gali atskirti kiekvieno buferio įvesties signalą.

1 pav. RF CMOS pavaros grandinės schema ir atitinkamos įtampos bangos formos.

Kita CMOS tvarkyklės funkcija yra valdyti išvesties kvadratinės bangos impulsų plotį, kuris realizuojamas impulsų pločio moduliacija (PWM) naudojant kintamo vartų šališkumo technologiją. PWM valdymas padeda pasiekti tikslinimo ir derinimo funkcijas, taip padidindamas pažangių SMPA įrenginių našumą. Buferių A ir B pirmojo keitiklio (M3) poslinkio lygis gali judėti aukštyn / žemyn RF sinusoidinio įėjimo signalu, atsižvelgiant į paties keitiklio perjungimo slenkstį. Įstrižinės įtampos pokytis pakeis keitiklio M3 išėjimo impulso plotį. Tada PWM signalas bus perduotas per kitus du inverterius M2 ir M1 ir sujungtas į RF tvarkyklės išvesties stadiją (EDMOS).