Realizimi i sistemit pa tela duke përdorur drejtuesin e amplifikatorit të energjisë RF

Aktualisht, 8Vpp dhe modulimi i gjerësisë së impulsit Drejtuesit e tensionit të lartë / fuqisë së lartë RF mund të realizohen në bazë të teknologjisë CMOS 1.2V 65nm. Brenda intervalit të frekuencës operative prej 0.9 në 3.6GHz, çipi mund të sigurojë një ritëm maksimal të daljes prej 8.04Vpp në një ngarkesë 50Ω në një tension operativ 9V. Kjo lejon drejtuesit e CMOS të lidhin drejtpërdrejt dhe të drejtojnë tranzistorë të energjisë si LDMOS dhe GaN. Rezistenca maksimale e këtij drejtuesi është 4.6Ω. Diapazoni i kontrollit të ciklit të punës i matur në 2.4GHz është 30.7% deri 71.5%. Duke përdorur një pajisje të re MOS të shtrirjes së shtresës së oksidit të hollë, drejtuesi mund të arrijë një funksionim të besueshëm të tensionit të lartë dhe kjo pajisje e re nuk kërkon kosto shtesë kur zbatohet nga teknologjia CMOS.

Radiot moderne të komunikimit dore pa tel (përfshirë përforcuesit e energjisë me frekuencë radio (RF) (PA)) zbatohen të gjitha në CMOS të thellë nën mikron. Sidoqoftë, në sistemet e infrastrukturës pa tel, për shkak të nevojës për nivele më të mëdha të fuqisë së daljes, është e nevojshme të arrihet RF PA përmes silikonit LDMOS ose teknologjive hibride (të tilla si GaA dhe GaN më të përparuara). Për gjeneratën e ardhshme të sistemeve të rikonfigurueshme të infrastrukturës Me fjalë të tjera, modaliteti i ndërprerësit PA (SMPA) duket se siguron fleksibilitetin e kërkuar dhe performancën e lartë për transmetuesit multi-modalë me shumë banda. Sidoqoftë, për të lidhur tranzistorët me fuqi të lartë të përdorura në SMPA të stacionit bazë me të gjitha modulet dixhitale CMOS të transmetuesit, kërkohet një drejtues me bandë të gjerë RF CMOS i aftë të gjenerojë një ritëm të tensionit të lartë (HV). Kjo jo vetëm që mund të arrijë një performancë më të mirë të tranzitorit me fuqi të lartë, por gjithashtu mund të përdorë drejtpërdrejt përpunimin e sinjalit dixhital për të kontrolluar formën e kërkuar të valës së impulsit të hyrjes SMPA, duke përmirësuar kështu performancën e përgjithshme të sistemit.

Sfida e dizajnit

Kapaciteti hyrës i LDMOS ose GaN SMPA është zakonisht disa pikofarada dhe duhet të drejtohet nga një sinjal impuls me një amplituda më të lartë se 5Vpp. Prandaj, drejtuesi SMPA CMOS duhet të sigurojë si tension të lartë ashtu edhe energji RF në nivel vat. Për fat të keq, CMOS i thellë nën mikron paraqet shumë sfida për realizimin e amplifikatorëve dhe drejtuesve të tensionit të lartë dhe me fuqi të lartë, veçanërisht tensionit maksimal jashtëzakonisht të ulët të funksionimit (dmth. Tensionit të ulët të prishjes të shkaktuar nga çështjet e besueshmërisë) dhe pasivëve pasivë me humbje të mëdha. Pajisjet (për shembull për transformimin e rezistencës së plotë).

Zgjidhjet ekzistuese

Nuk ka shumë metoda për zbatimin e qarqeve të tensionit të lartë. Zgjidhje teknike (të tilla si oksid me shumë porta) që mund të kuptojnë se mund të përdoren tranzistorë të tolerancës së tensionit të lartë, por kostoja është që procesi i prodhimit është i shtrenjtë, dhe maska shtesë dhe hapat e përpunimit duhet të shtohen në procesin bazë CMOS, kështu që kjo zgjidhja nuk është ideale. Për më tepër, në mënyrë që të rritet në mënyrë të besueshme toleranca e tensionit të lartë, mund të përdoret një skemë qarku që përdor vetëm tranzistorë standardë të linjës bazë (duke përdorur pajisje të oksidit të hollë / të trashë). Në metodën e dytë, pirgjet e pajisjeve ose katodat e serive janë shembujt më të zakonshëm. Sidoqoftë, kompleksiteti dhe performanca e RF kanë kufizime të mëdha, veçanërisht kur numri i pajisjeve katode të lidhura me seri (ose të grumbulluara) rritet në 2 ose më shumë. Një mënyrë tjetër për të zbatuar qarqet e tensionit të lartë është përdorimi i tranzistorëve me efekt të terrenit të shtrirë në kullim (EDMOS) në teknologjinë bazë CMOS siç përshkruhet në këtë artikull.

Zgjidhje e re

Pajisja e shtrirjes së kullimit bazohet në teknologjinë e instalimeve elektrike inteligjente, e cila përfiton nga realizimi i dimensioneve shumë të imta në rajonet ACTIVE (silic), STI (oksid) dhe GATE (polisilicon) dhe përdorimi i linjave bazë pa kosto shtesë Nën-mikroni i thellë Teknologjia CMOS realizon dy tranzistorë të tolerancës së tensionit të lartë, PMOS dhe NMOS. Megjithëse performanca RF e këtyre pajisjeve EDMOS është në të vërtetë më e ulët krahasuar me transistorët standardë që përdorin këtë proces, ato përsëri mund të përdoren në të gjithë qarkun e tensionit të lartë për shkak të eleminimit të mekanizmave të rëndësishëm të humbjes të lidhur me qarqe të tjerë ekuivalentë të HV (të tilla si katodat e serive) ) Për të arritur një performancë më të lartë të përgjithshme.

Prandaj, topologjia e drejtuesit të tensionit të lartë CMOS e përshkruar në këtë artikull përdor pajisjet EDMOS për të shmangur grumbullimin e pajisjeve. Drejtuesi RF CMOS miraton pajisje EDMOS të shtresës së oksidit të hollë dhe prodhohet përmes një procesi bazë CMOS të energjisë në pritje të ulët prej 65nm dhe nuk kërkohen hapa ose procese shtesë të maskës. Për PMOS dhe NMOS, fT e matur në këto pajisje respektivisht tejkalon 30GHz dhe 50GHz, dhe voltazhi i prishjes së tyre është i kufizuar në 12V. Shoferët me shpejtësi të lartë CMOS kanë arritur në mënyrë të paprecedentë një dalje të daljes prej 8Vpp deri në 3.6GHz. Një SMPA e tillë e bazuar në hendekun e gjerë siguron drejtimin e makinës.

Figura 1 është një diagram skematik i strukturës së drejtuesit të përshkruar këtu. Faza e daljes përfshin një inverter të bazuar në EDMOS. Pajisjet EDMOS mund të drejtohen drejtpërdrejt nga tranzistorë standardë të tensionit të ulët, i cili thjeshton integrimin e fazës së daljes dhe qarqeve të tjera dixhitale dhe analoge CMOS në një çip të vetëm. Çdo tranzistor EDMOS drejtohet nga një buffer konik (bufferi A dhe B në figurën 1) i zbatuar nga 3 faza invertori CMOS. Të dy mbrojtësit kanë nivele të ndryshme DC për të siguruar që secili inverter CMOS mund të funksionojë në mënyrë të qëndrueshme në një tension prej 1.2V (i kufizuar nga teknologjia, dmth. VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2V). Në mënyrë që të përdoren tensione të ndryshme të furnizimit me energji elektrike dhe të lejohet i njëjti funksionim AC, të dy mbrojtësit kanë saktësisht të njëjtën strukturë dhe janë të ndërtuara në një shtresë të veçantë Deep N-Well (DNW). Rrotullimi i daljes së drejtuesit përcaktohet nga VDD1-VSS0 dhe çdo vlerë që nuk tejkalon tensionin maksimal të prishjes së pajisjes EDMOS mund të zgjidhet sipas dëshirës, ndërsa funksionimi i drejtuesit të brendshëm mbetet i pandryshuar. Qarku i ndërrimit të nivelit DC mund të ndajë sinjalin hyrës të secilit buffer.

Figura 1. Diagrami skematik i qarkut të drejtimit RF CMOS dhe format valore përkatëse të tensionit.

Një funksion tjetër i drejtuesit CMOS është të kontrollojë gjerësinë e impulsit të valës katrore të daljes, e cila realizohet me modulimin e gjerësisë së impulsit (PWM) përmes teknologjisë së ndryshimit të paragjykimit të portës. Kontrolli i PWM ndihmon në arritjen e funksioneve të rregullimit të saktë dhe akordimit, duke rritur kështu performancën e pajisjeve të përparuara SMPA. Niveli i paragjykimit i inverterit të parë (M3) të bufferëve A dhe B mund të lëvizë lart / poshtë sinjalit sinusoidal të hyrjes RF duke iu referuar pragut të kalimit të vetë invertorit. Ndryshimi i tensionit të paragjykimit do të ndryshojë gjerësinë e impulsit të daljes të invertorit M3. Pastaj, sinjali PWM do të transmetohet përmes dy invertorëve të tjerë M2 dhe M1 dhe do të kombinohen në fazën e daljes (EDMOS) të drejtuesit RF.