如何使用射頻功率放大器驅(qū)動器實現(xiàn)無線系統(tǒng)的設計
資料介紹
目前,已經(jīng)可以在1.2V 65nm CMOS技術的基礎上實現(xiàn)8Vpp和脈沖寬度調(diào)制射頻高壓/大功率驅(qū)動器。在0.9到3.6GHz的工作頻率范圍內(nèi),該芯片在9V的工作電壓下可向50Ω 負載提供8.04Vpp的最大輸出擺幅。這使得CMOS驅(qū)動器能夠直接連接并驅(qū)動LDMOS和GaN等功率晶體管。該驅(qū)動器的最大導通電阻為4.6Ω。2.4GHz時所測量的占空比控制范圍為30.7%到71.5%。采用通過使用新型薄氧化層漏極延伸MOS器件,該驅(qū)動器可實現(xiàn)可靠的高壓操作,而這一新型器件通過CMOS技術實現(xiàn)時無需額外的費用。技術背景現(xiàn)代無線手持通信無線電(包括射頻(RF)功率放大器(PA) 在內(nèi))均是在深亞微米CMOS中得以實現(xiàn)。不過,在無線基礎設施系統(tǒng)中,由于需要較大的輸出功率等級,必須通過硅LDMOS或混合技術(如GaA和更先進 的GaN)才能實現(xiàn)RF PA.對下一代可重新配置的基礎設施系統(tǒng)而言,開關模式PA(SMPA)似乎能為多頻帶多模式發(fā)射器提供所需的靈活性和高性能。但是,為了將基站SMPA 中使用的高功率晶體管與發(fā)射器的所有數(shù)字CMOS模塊相連,需要能夠生成高壓(HV)擺幅的寬帶 RF CMOS驅(qū)動器。這樣不僅能實現(xiàn)更優(yōu)的高功率晶體管性能,而且還能將數(shù)字信號處理直接用于控制所需的SMPA輸入脈沖波形,從而提高系統(tǒng)整體性能。設計挑戰(zhàn) LDMOS或GaN SMPA的輸入電容通常為幾個皮法,必須由振幅高于5Vpp的脈沖信號驅(qū)動。因此,SMPA CMOS驅(qū)動器必須同時提供高壓和瓦特級的射頻功率。遺憾的是,深亞微米CMOS給高壓和大功率放大器及驅(qū)動器的實現(xiàn)提出了諸多挑戰(zhàn),尤其是極低的最大工 作電壓(即可靠性問題引起的低擊穿電壓)和損耗較大的無源器件(例如用于阻抗變換)?,F(xiàn)有解決方案用于實現(xiàn)高壓電路的方法并不多。可以采用能夠?qū)崿F(xiàn)高壓容限晶體管的技術解決方案(如多柵氧化層), 但代價是生產(chǎn)流程較昂貴,必須向基線CMOS工藝添加額外的掩模和處理步驟,因此這種方案并不理想。此外,為可靠地增加高壓耐受力,可以采用僅使用標準基 線晶體管(使用薄/厚氧化層器件)的電路方案。在第二種方法中,器件堆疊或串聯(lián)陰極是最常見的例子。但是,射頻復雜性和性能具有很大的局限性,尤其是當串 聯(lián)陰極(或堆疊)器件的數(shù)量增加至2個或3個以上時。另一種實現(xiàn)高壓電路的途徑就是如本文所述的在基線CMOS技術中使用漏極延伸場效應管(EDMOS)來實現(xiàn)。新的解決方案漏極延伸器件基于智能布線技術,這得益于在ACTIVE(硅)、STI(氧化層)及GATE (多晶硅)區(qū)域中可實現(xiàn)十分精細的尺寸,并能在沒有附加費用的條件下,利用基線深亞微米CMOS技術實現(xiàn)PMOS和NMOS兩種高壓容限晶體管。盡管與采 用該工藝的標準晶體管相比,這些EDMOS設備的RF性能實際上較低,但由于消除了與其他HV等效電路相關的重要損耗機制(如串聯(lián)陰極),它們?nèi)阅茉谡麄€ 高壓電路中實現(xiàn)較高整體性能。因此,本文所述的高壓CMOS驅(qū)動器拓撲結構采用EDMOS器件來避免器件堆疊。RF CMOS驅(qū)動器采用薄氧化層EDMOS器件通過65nm低待機功耗基線CMOS工藝制造,且無需額外的掩模步驟或工序。對PMOS和NMOS而言,這些器 件上測量到的fT 分別超過30GHz和50GHz,它們的擊穿電壓限度為12V.高速CMOS驅(qū)動器前所未有地實現(xiàn)了高達3.6GHz的8Vpp輸出擺 幅,因而能為像GaN這樣的基于寬帶隙的SMPA提供驅(qū)動。圖1為本文所述驅(qū)動器的結構示意圖。輸出級包括一個基于EDMOS的逆變器。EDMOS器件可由低 壓高速標準晶體管直接驅(qū)動,從而簡化了輸出級與其它數(shù)字和模擬CMOS電路在單顆芯片上的集成。每個EDMOS晶體管均由通過3個CMOS逆變器級實現(xiàn)的 錐形緩沖器(圖1中的緩沖器A和B)提供驅(qū)動。兩個緩沖器具有不同的直流等級,以確保每個CMOS逆變器都能在 1.2V的電壓下(受技術所限,即VDD1-VSS1=VDD0-VSS0=1.2V)穩(wěn)定運行。為了使用不同的電源電壓并允許相同的交流操作,兩個緩沖器的構造完全相同,并內(nèi)置于單獨的Deep N-Well(DNW)層中。驅(qū)動器的輸出擺幅由VDD1-VSS0決定,可隨意選擇不超過EDMOS器件最大擊穿電壓的任意值,而內(nèi)部驅(qū)動器的運行保持 不變。直流電平位移電路可分離每個緩沖器的輸入信號。
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