מימוש מערכת אלחוטית באמצעות מנהל התקן מגבר כוח RF

נכון לעכשיו, ניתן לממש מנהלי התקנים של מתח גבוה / הספק גבוה 8Vpp ורוחב הדופק על בסיס טכנולוגיית CMOS 1.2V 65nm. בטווח תדרי ההפעלה של 0.9 עד 3.6 ג'יגה הרץ, השבב יכול לספק תנופת פלט מרבית של 8.04Vpp לעומס 50Ω במתח הפעלה 9V. זה מאפשר לנהגי CMOS להתחבר ישירות ולהניע טרנזיסטורי כוח כגון LDMOS ו- GaN. ההתנגדות המירבית של נהג זה היא 4.6Ω. טווח בקרת מחזור החובה הנמדד ב -2.4 GHz הוא 30.7% עד 71.5%. על ידי שימוש במכשיר MOS הרחבה חדש של שכבת תחמוצת דק, הנהג יכול להשיג פעולה אמינה במתח גבוה, ומכשיר חדש זה אינו דורש עלויות נוספות כאשר הוא מיושם על ידי טכנולוגיית CMOS.

מכשירי קשר תקשורת אלחוטיים מודרניים אלחוטיים (כולל מגברי כוח בתדר רדיו (RF)) מיושמים כולם ב- CMOS תת-מיקרוני עמוק. עם זאת, במערכות תשתית אלחוטיות, בשל הצורך ברמות הספק יציאה גבוהות יותר, יש צורך להשיג RF PA באמצעות סיליקון LDMOS או טכנולוגיות היברידיות (כגון GaA ו- GaN מתקדמות יותר). לדור הבא של מערכות תשתית הניתנות להגדרה מחדש במילים אחרות, נראה כי מצב המתג PA (SMPA) מספק את הגמישות הנדרשת והביצועים הגבוהים עבור משדרים מרובי-רצועות. עם זאת, על מנת לחבר את הטרנזיסטורים הספקים הגבוהים המשמשים את ה- SMPA של תחנת הבסיס לכל מודולי ה- CMOS הדיגיטליים של המשדר, נדרש דרייבר RF CMOS בפס רחב המסוגל לייצר נדנדה במתח גבוה (HV). זה לא רק יכול להשיג ביצועים טובים יותר של טרנזיסטור בהספק גבוה, אלא גם יכול להשתמש ישירות בעיבוד אותות דיגיטליים כדי לשלוט על צורת גל הדופק של כניסת SMPA הנדרשת, ובכך לשפר את הביצועים הכוללים של המערכת.

אתגר עיצובי

קיבול הקלט של LDMOS או GaN SMPA הוא בדרך כלל מספר פיקופארדים ועליו להיות מונע על ידי אות דופק עם משרעת גבוהה מ- 5Vpp. לכן, מנהל ההתקן CMPA של SMPA חייב לספק הן מתח גבוה והן הספק RF ברמת וואט. למרבה הצער, CMOS תת-מיקרון עמוק מציב אתגרים רבים למימוש מגברים ומניעי מתח גבוה ועוצמה גבוהה, במיוחד מתח ההפעלה המרבי הנמוך ביותר (כלומר מתח פירוק נמוך הנגרם מבעיות אמינות) ופסיביים פסיביים עם הפסדים גדולים. התקנים (למשל לשינוי עכבה).

פתרונות קיימים

אין הרבה שיטות ליישום מעגלים במתח גבוה. ניתן להשתמש בפתרונות טכניים (כגון תחמוצת רב שערים) היכולים לממש טרנזיסטורי סובלנות במתח גבוה, אך העלות היא שתהליך הייצור הוא יקר, ויש להוסיף מסכות ושלבי עיבוד נוספים לתהליך ה- CMOS הבסיסי, ולכן זה הפיתרון אינו אידיאלי. בנוסף, על מנת להגביר באופן אמין את סובלנות המתח הגבוה, ניתן להשתמש במערכת מעגלים המשתמשת בטרנזיסטורי קו בסיס רגילים בלבד (באמצעות התקני תחמוצת דקים / עבים). בשיטה השנייה, ערימות התקנים או קטודות סדרות הן הדוגמאות הנפוצות ביותר. עם זאת, למורכבות ולביצועים של RF יש מגבלות גדולות, במיוחד כאשר מספר התקני הקתודה המחוברים לסדרה (או מוערמים) גדל ל -2 ומעלה. דרך נוספת ליישם מעגלי מתח גבוה היא להשתמש בטרנזיסטורי אפקט שדה מורחבים (EDMOS) בטכנולוגיית ה- CMOS הבסיסית כמתואר במאמר זה.

פיתרון חדש

מכשיר הארכת הניקוז מבוסס על טכנולוגיית חיווט חכמה, הנהנית ממימוש ממדים עדינים מאוד באזורים ACTIVE (סיליקון), STI (תחמוצת) ו- GATE (פוליסיליקון), ושימוש בקו בסיס ללא עלויות נוספות תת-מיקרון עמוק טכנולוגיית CMOS מממשת שני טרנזיסטורי מתח גבוה, PMOS ו- NMOS. למרות שביצועי ה- RF של מכשירי EDMOS אלה למעשה נמוכים יותר בהשוואה לטרנזיסטורים סטנדרטיים המשתמשים בתהליך זה, הם עדיין יכולים לשמש בכל מעגל המתח הגבוה בשל חיסול מנגנוני הפסד חשובים הקשורים למעגלים מקבילים אחרים של HV (כגון קטודות סדרתיות. ) כדי להשיג ביצועים כוללים גבוהים יותר.

לכן, הטופולוגיה של מנהל ההתקן CMOS במתח גבוה המתוארת במאמר זה משתמשת במכשירי EDMOS כדי למנוע ערימת מכשירים. מנהל התקן ה- RF CMOS מאמץ התקני EDMOS של שכבת תחמוצת דקה ומיוצר באמצעות תהליך CMOS בסיסי במצב המתנה נמוכה של 65 ננומטר, ואין צורך בצעדים או תהליכי מסכה נוספים. עבור PMOS ו- NMOS, ה- fT שנמדד במכשירים אלה עולה על 30GHz ו- 50GHz בהתאמה, ומתח הפירוק שלהם מוגבל ל- 12V. מנהלי התקנים מהירים של CMOS השיגו ללא תקדים תנופת פלט של 8Vpp עד 3.6GHz. SMPA מבוסס פס רחב כל כך רחב המספק נהיגה.

איור 1 הוא תרשים סכמטי של מבנה הנהג המתואר כאן. שלב הפלט כולל מהפך מבוסס EDMOS. התקני EDMOS יכולים להיות מונעים ישירות על ידי טרנזיסטורים סטנדרטיים במהירות גבוהה במהירות נמוכה, מה שמפשט את שילוב שלב הפלט ומעגלי CMOS דיגיטליים ואנלוגיים אחרים על שבב יחיד. כל טרנזיסטור EDMOS מונע על ידי מאגר מחודד (מאגר A ו- B באיור 1) המיושם על ידי 3 שלבי מהפך CMOS. לשני המאגרים יש רמות DC שונות כדי להבטיח שכל מהפך CMOS יכול לפעול ביציבות במתח של 1.2 וולט (מוגבל על ידי טכנולוגיה, כלומר, VDD1-VSS1 = VDD0-VSS0 = 1.2V). על מנת להשתמש במתחי אספקת חשמל שונים ולאפשר את אותה פעולת זרם חילופין, שני המאגרים הם בעלי מבנה זהה לחלוטין והם מובנים בשכבה נפרדת Deep N-Well (DNW). תנודת הפלט של הנהג נקבעת על ידי VDD1-VSS0, וכל ערך שאינו עולה על מתח ההתמוטטות המרבי של התקן EDMOS ניתן לבחור כרצונו, בעוד פעולת הנהג הפנימי נותרת ללא שינוי. מעגל הסטה ברמת DC יכול להפריד בין אות הקלט של כל מאגר.

איור 1. תרשים סכמטי של מעגל כונן RF CMOS וצורות גל המתח המתאימות.

פונקציה נוספת של מנהל ההתקן CMOS היא שליטה על רוחב הדופק של גל הריבוע המוצא, אשר מתממש על ידי אפנון רוחב הדופק (PWM) באמצעות טכנולוגיית הטיה שערית משתנה. בקרת PWM עוזרת להשיג פונקציות כיוונון וכוונון עדין, ובכך לשפר את הביצועים של התקני SMPA מתקדמים. רמת ההטיה של המהפך הראשון (M3) של המאגרים A ו- B יכולה לנוע מעלה / מטה את אות הכניסה הסינוסי RF בהתייחס לסף המיתוג של המהפך עצמו. שינוי מתח ההטיה ישנה את רוחב דופק המוצא של המהפך M3. לאחר מכן, אות ה- PWM יועבר דרך שני הממירים האחרים M2 ו- M1 וישולב בשלב הפלט (EDMOS) של מנהל התקן ה- RF.