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使用射頻功率放大器驅動器的無線系統的實現
目前,基於8V 1.2nm CMOS技術可以實現65Vpp和脈寬調製RF高壓/大功率驅動器。 在0.9至3.6GHz的工作頻率範圍內,該芯片可在8.04V工作電壓下為50Ω負載提供9Vpp的最大輸出擺幅。 這使CMOS驅動器可以直接連接並驅動LDMOS和GaN等功率晶體管。 該驅動器的最大導通電阻為4.6Ω。 在2.4GHz下測得的佔空比控制範圍為30.7%至71.5%。 通過使用新的薄氧化層漏極擴展MOS器件,驅動器可以實現可靠的高壓操作,並且通過CMOS技術實現該新器件不需要額外的成本。
現代無線手持式通信無線電設備(包括射頻(RF)功率放大器(PA))都在深亞微米CMOS中實現。 但是,在無線基礎設施系統中,由於需要更大的輸出功率水平,因此有必要通過矽LDMOS或混合技術(例如GaA和更高級的GaN)來實現RF PA。 對於下一代可重新配置的基礎架構系統,換句話說,開關模式PA(SMPA)似乎為多頻帶多模式發射機提供了所需的靈活性和高性能。 但是,為了將基站的SMPA中使用的大功率晶體管連接到發射器的所有數字CMOS模塊,需要能夠產生高電壓(HV)擺幅的寬帶RF CMOS驅動器。 這不僅可以實現更好的大功率晶體管性能,而且可以直接使用數字信號處理來控制所需的SMPA輸入脈衝波形,從而改善系統的整體性能。
設計挑戰
LDMOS或GaN SMPA的輸入電容通常為幾微微法拉,必須由幅度高於5Vpp的脈衝信號驅動。 因此,SMPA CMOS驅動器必須同時提供高壓和瓦特級RF功率。 不幸的是,深亞微米CMOS對實現高電壓和高功率放大器和驅動器提出了許多挑戰,特別是極低的最大工作電壓(即,由於可靠性問題導致的低擊穿電壓)和具有大損耗的無源無源器件。 設備(例如,用於阻抗轉換)。
現有解決方案
實現高壓電路的方法並不多。 可以使用可以實現耐高壓晶體管的技術解決方案(例如多柵極氧化物),但是成本是生產過程昂貴,並且必須在基準CMOS工藝中添加其他掩模和加工步驟,因此解決方案並不理想。 另外,為了可靠地增加高耐壓性,可以使用僅使用標準基線晶體管(使用薄/厚氧化器件)的電路方案。 在第二種方法中,器件堆疊或串聯陰極是最常見的示例。 但是,RF的複雜性和性能具有很大的局限性,尤其是當串聯連接的陰極(或堆疊)器件的數量增加到2個或更多時。 實現高壓電路的另一種方法是在基線CMOS技術中使用漏極擴展的場效應晶體管(EDMOS),如本文所述。
新解決方案
漏極擴展設備基於智能佈線技術,該技術得益於在ACTIVE(矽),STI(氧化物)和GATE(多晶矽)區域實現非常精細的尺寸,以及使用基線而無需支付額外費用深亞微米CMOS技術實現了兩個耐高壓晶體管PMOS和NMOS。 儘管與使用該工藝的標準晶體管相比,這些EDMOS器件的RF性能實際上較低,但由於消除了與其他HV等效電路(例如串聯陰極)相關的重要損耗機制,它們仍可以在整個高壓電路中使用)以實現更高的整體性能。
因此,本文所述的高壓CMOS驅動器拓撲使用EDMOS器件來避免器件堆疊。 RF CMOS驅動器採用薄氧化層EDMOS器件,並通過65nm低待機功率基準CMOS工藝製造,不需要其他掩膜步驟或工藝。 對於PMOS和NMOS,在這些器件上測得的fT分別超過30GHz和50GHz,其擊穿電壓限制為12V。 高速CMOS驅動器前所未有地實現了高達8GHz的3.6Vpp輸出擺幅。 這種基於寬帶隙的SMPA提供了驅動。
圖1是本文描述的驅動器的結構的示意圖。 輸出級包括一個基於EDMOS的反相器。 EDMOS器件可以由低壓高速標準晶體管直接驅動,從而簡化了輸出級以及其他數字和模擬CMOS電路在單個芯片上的集成。 每個EDMOS晶體管均由1個CMOS反相器級實現的錐形緩衝器(圖3中的緩衝器A和B)驅動。 兩個緩衝器具有不同的直流電平,以確保每個CMOS反相器可以在1.2V的電壓下穩定運行(受技術限制,即VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2V)。 為了使用不同的電源電壓並允許相同的AC操作,兩個緩衝器具有完全相同的結構,並內置在單獨的Deep N-Well(DNW)層中。 驅動器的輸出擺幅由VDD1-VSS0決定,可以任意選擇不超過EDMOS器件最大擊穿電壓的值,而內部驅動器的操作保持不變。 DC電平移位電路可以分離每個緩衝器的輸入信號。
圖1. RF CMOS驅動電路原理圖和相應的電壓波形。
CMOS驅動器的另一個功能是控制輸出方波的脈衝寬度,這是通過可變柵極偏置技術通過脈寬調製(PWM)實現的。 PWM控制有助於實現微調和微調功能,從而增強了高級SMPA器件的性能。 緩衝器A和B的第一反相器(M3)的偏置電平可以參考反相器本身的開關閾值來上/下移動RF正弦輸入信號。 偏置電壓的改變將改變反相器M3的輸出脈衝寬度。 然後,PWM信號將通過其他兩個反相器M2和M1傳輸並在RF驅動器的輸出級(EDMOS)中合併。
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