Hiện thực hóa hệ thống không dây sử dụng trình điều khiển bộ khuếch đại công suất RF
Hiện tại, các trình điều khiển điện áp cao / công suất cao RF điều biến 8Vpp và độ rộng xung có thể được thực hiện trên cơ sở công nghệ 1.2V 65nm CMOS. Trong dải tần hoạt động từ 0.9 đến 3.6 GHz, chip có thể cung cấp công suất đầu ra tối đa là 8.04Vpp cho tải 50Ω ở điện áp hoạt động 9V. Điều này cho phép trình điều khiển CMOS kết nối trực tiếp và điều khiển các bóng bán dẫn điện như LDMOS và GaN. Điện trở tối đa của trình điều khiển này là 4.6Ω. Phạm vi kiểm soát chu kỳ nhiệm vụ đo được ở 2.4 GHz là 30.7% đến 71.5%. Bằng cách sử dụng thiết bị MOS mở rộng thoát nước lớp oxit mỏng mới, trình điều khiển có thể đạt được hoạt động điện áp cao đáng tin cậy và thiết bị mới này không yêu cầu thêm chi phí khi được triển khai bằng công nghệ CMOS.
Bộ đàm liên lạc cầm tay không dây hiện đại (bao gồm cả bộ khuếch đại công suất tần số vô tuyến (RF) (PA)) đều được thực hiện trong CMOS submicron sâu. Tuy nhiên, trong các hệ thống cơ sở hạ tầng không dây, do yêu cầu mức công suất đầu ra lớn hơn, cần đạt được RF PA thông qua silicon LDMOS hoặc các công nghệ lai (như GaA và GaN tiên tiến hơn). Đối với thế hệ tiếp theo của hệ thống cơ sở hạ tầng có thể cấu hình lại Nói cách khác, chế độ chuyển mạch PA (SMPA) dường như cung cấp tính linh hoạt và hiệu suất cao cần thiết cho các máy phát đa chế độ đa băng tần. Tuy nhiên, để kết nối các bóng bán dẫn công suất cao được sử dụng trong SMPA của trạm gốc với tất cả các mô-đun CMOS kỹ thuật số của máy phát, cần phải có trình điều khiển RF CMOS băng thông rộng có khả năng tạo ra xung điện áp cao (HV). Điều này không chỉ có thể đạt được hiệu suất bóng bán dẫn công suất cao tốt hơn mà còn có thể sử dụng trực tiếp xử lý tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển dạng sóng xung đầu vào SMPA cần thiết, do đó cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Thử thách thiết kế
Điện dung đầu vào của LDMOS hoặc GaN SMPA thường là một số picofarads và phải được điều khiển bởi một tín hiệu xung có biên độ cao hơn 5Vpp. Do đó, trình điều khiển SMPA CMOS phải cung cấp cả điện áp cao và công suất RF cấp watt. Thật không may, CMOS sâu dưới micromet đặt ra nhiều thách thức đối với việc thực hiện các bộ khuếch đại và trình điều khiển điện áp cao và công suất cao, đặc biệt là điện áp hoạt động tối đa cực kỳ thấp (tức là điện áp đánh thủng thấp do các vấn đề về độ tin cậy) và các bộ điều khiển thụ động với tổn thất lớn. Thiết bị (ví dụ để biến đổi trở kháng).
Các giải pháp hiện có
Không có nhiều phương pháp thực hiện mạch cao áp. Có thể sử dụng các giải pháp kỹ thuật (chẳng hạn như oxit đa cổng) có thể sử dụng các bóng bán dẫn chịu điện áp cao, nhưng chi phí là quá trình sản xuất rất tốn kém, và các mặt nạ và bước xử lý bổ sung phải được thêm vào quy trình CMOS cơ bản, vì vậy điều này giải pháp không phải là lý tưởng. Ngoài ra, để tăng khả năng chịu điện áp cao một cách đáng tin cậy, có thể sử dụng sơ đồ mạch chỉ sử dụng các bóng bán dẫn đường cơ sở tiêu chuẩn (sử dụng các thiết bị oxit mỏng / dày). Trong phương pháp thứ hai, thiết bị xếp chồng hoặc catốt nối tiếp là những ví dụ phổ biến nhất. Tuy nhiên, độ phức tạp và hiệu suất của RF có những hạn chế lớn, đặc biệt khi số lượng thiết bị cathode được kết nối nối tiếp (hoặc xếp chồng lên nhau) tăng lên 2 hoặc nhiều hơn. Một cách khác để thực hiện các mạch điện áp cao là sử dụng các bóng bán dẫn hiệu ứng trường mở rộng cống (EDMOS) trong công nghệ CMOS cơ bản như được mô tả trong bài viết này.
Giải pháp mới
Thiết bị mở rộng cống dựa trên công nghệ đi dây thông minh, được hưởng lợi từ việc nhận ra các kích thước rất nhỏ trong các vùng ACTIVE (silicon), STI (oxit) và GATE (polysilicon), và việc sử dụng các đường cơ sở mà không có chi phí bổ sung. Công nghệ CMOS nhận ra hai bóng bán dẫn chịu điện áp cao, PMOS và NMOS. Mặc dù hiệu suất RF của các thiết bị EDMOS này thực sự thấp hơn so với các bóng bán dẫn tiêu chuẩn sử dụng quy trình này, chúng vẫn có thể được sử dụng trong toàn bộ mạch điện áp cao do loại bỏ các cơ chế suy hao quan trọng liên quan đến các mạch tương đương HV khác (chẳng hạn như catốt nối tiếp ) Để đạt được hiệu suất tổng thể cao hơn.
Do đó, cấu trúc liên kết trình điều khiển CMOS điện áp cao được mô tả trong bài viết này sử dụng thiết bị EDMOS để tránh xếp chồng thiết bị. Trình điều khiển RF CMOS sử dụng các thiết bị EDMOS lớp oxit mỏng và được sản xuất thông qua quy trình CMOS cơ sở công suất dự phòng thấp 65nm và không yêu cầu các bước hoặc quy trình mặt nạ bổ sung. Đối với PMOS và NMOS, fT đo được trên các thiết bị này lần lượt vượt quá 30GHz và 50GHz và điện áp đánh thủng của chúng được giới hạn ở 12V. Trình điều khiển CMOS tốc độ cao chưa từng có đã đạt được tốc độ đầu ra 8Vpp lên đến 3.6GHz. Một SMPA dựa trên khoảng cách băng tần rộng như vậy cung cấp khả năng lái xe.
Hình 1 là sơ đồ cấu trúc của trình điều khiển được mô tả ở đây. Giai đoạn đầu ra bao gồm một biến tần dựa trên EDMOS. Các thiết bị EDMOS có thể được điều khiển trực tiếp bằng các bóng bán dẫn tiêu chuẩn tốc độ cao điện áp thấp, giúp đơn giản hóa việc tích hợp tầng đầu ra và các mạch CMOS kỹ thuật số và tương tự khác trên một chip duy nhất. Mỗi bóng bán dẫn EDMOS được điều khiển bởi một bộ đệm côn (bộ đệm A và B trong Hình 1) được thực hiện bởi 3 giai đoạn biến tần CMOS. Hai bộ đệm có các mức DC khác nhau để đảm bảo rằng mỗi biến tần CMOS có thể hoạt động ổn định ở điện áp 1.2V (giới hạn bởi công nghệ, đó là VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2V). Để sử dụng điện áp cung cấp điện khác nhau và cho phép hoạt động AC giống nhau, hai bộ đệm có cấu trúc hoàn toàn giống nhau và được xây dựng thành một lớp Deep N-Well (DNW) riêng biệt. Dao động đầu ra của trình điều khiển được xác định bởi VDD1-VSS0 và bất kỳ giá trị nào không vượt quá điện áp đánh thủng tối đa của thiết bị EDMOS có thể được chọn theo ý muốn, trong khi hoạt động của trình điều khiển bên trong vẫn không thay đổi. Mạch chuyển mức DC có thể tách tín hiệu đầu vào của từng bộ đệm.
Hình 1. Sơ đồ mạch truyền động RF CMOS và các dạng sóng điện áp tương ứng.
Một chức năng khác của trình điều khiển CMOS là điều khiển độ rộng xung của sóng vuông đầu ra, được thực hiện bằng điều chế độ rộng xung (PWM) thông qua công nghệ phân cực cổng biến thiên. Điều khiển PWM giúp đạt được các chức năng tinh chỉnh và điều chỉnh, do đó nâng cao hiệu suất của các thiết bị SMPA tiên tiến. Mức phân cực của biến tần đầu tiên (M3) của bộ đệm A và B có thể di chuyển lên / xuống tín hiệu đầu vào hình sin RF có tham chiếu đến ngưỡng chuyển đổi của chính bộ biến tần. Sự thay đổi của điện áp phân cực sẽ thay đổi độ rộng xung đầu ra của biến tần M3. Sau đó, tín hiệu PWM sẽ được truyền qua hai biến tần khác là M2 và M1 và kết hợp trong giai đoạn đầu ra (EDMOS) của trình điều khiển RF.
sản phẩm khác của chúng tôi:
