3.8: Підсилювачі та RFIC

Last updated
Save as PDF

Page ID: 34125

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Кремнієві RFIC використовують інтеграцію високої щільності, можливу з кремнієвими транзисторами MOSFET. Ці транзистори можуть бути виготовлені з високим рівнем повторюваності, так що транзистори в диференціальних конструкціях можуть бути тісно узгоджені. Крім того, властива сумісність з цифровими схемами дозволяє здійснювати цифрове управління радіочастотними схемами. Що стосується підсилювачів, то існує кілька часто використовуваних основних схем, які використовують додаткові МОП-транзистори (НМО та ПМО), тобто CMOS транзистори. Диференціальні підсилювачі MOSFET були представлені протягом усього цього розділу. Інші поширені схеми CMOS показані на малюнку\(\PageIndex{2}\). Транзистори у всіх описаних тут схемах працюють в області насичення.

Підсилювач каскаду показаний на малюнку\(\PageIndex{2}\) (а). Є два транзистора, причому верхній FET виступає в якості дренажного навантаження нижнього транзистора. Затвор верхнього транзистора утримується на землі, тому напруга на джерелі верхнього FET (і стік нижнього FET) утримується при майже постійній напрузі. Таким чином, верхній FET представляє низький опір навантаження на нижній FET. Коефіцієнт посилення напруги нижнього транзистора низький, і це зменшує ємність ефекту Міллера, яка є ефективною вхідною ємністю (будучи ємністю затвора-стоку, помноженою на посилення напруги транзистора). Топологія каскаду збільшує пропускну здатність схеми. Посилення струму, а отже, і посилення потужності, все ще реалізується нижнім транзистором. Коефіцієнт посилення напруги ланцюга залежить від опору, представленого стоку верхнього транзистора.

Підсилювач каскаду зі змінним коефіцієнтом посилення показаний на малюнку\(\PageIndex{2}\) (б). Це схоже на підсилювач каскаду Рисунок\(\PageIndex{2}\) (а), але тепер напруга при

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Вимірюваний синфазний коефіцієнт посилення\(A_{c}\), і диференціальний режим посилення,\(A_{d}\): (а) з індуктором на основі зміщення ланцюга з контуром згорнутих індукторів\(0.75\:\mu\text{H}\); і (б) з балун-подібною схемою зміщення без згорнутих конденсаторів.

затвор верхнього транзистора\(V_{G1}\), вибирається так, щоб змінний опір був представлений нижньому транзистору, таким чином посилення напруги ланцюга може бути змінним. Це підсилювач змінного посилення.

Схеми FET майже завжди є зміщеними струмом, тому схеми, які реалізують джерела струму та узгодження струму, особливо важливі. Один MOSFET може бути використаний для реалізації джерела струму. Якщо напруга затвор-джерело MOSFET фіксована, реалізується майже постійне джерело струму (див. Рівняння струму сток-джерело, Рівняння (1.3.17)). Схема диференціального підсилювача зі змінним джерелом струму показана на малюнку\(\PageIndex{2}\) (г). Що особливо цікаво, це те, що транзистор, що контролює зміщення до джерела струму, може бути частиною цифрової схеми, що дозволяє цифровий контроль зміщення аналогового ланцюга. Концепція може бути відтворена шляхом заміни\(M_{1}\) декількома транзисторами паралельно з кожним транзистором, що має двійковий сигнал на затворі. Це фундаментальний компонент в цифровому управлінні аналоговими схемами, включаючи RFIC. Наприклад, сучасні RFIC включають цифрово керовану обрізку RFIC для досягнення, наприклад, покращеного\(IQ\) балансу квадратурних модуляторів.

Інша схема, яка контролює струм в RFIC, - це дзеркало струму, показане на малюнку\(\PageIndex{2}\) (c). У цій схемі\(I_{1} = I_{2}\), як затвор-джерело напруги транзисторів\(M_{1}\) і\(M_{2}\) однакові. З'єднання злив-затвор\(M_{1}\) забезпечує

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Аналогові схеми МОП: (а) підсилювач каскаду; (б) підсилювач каскаду змінного посилення; (c) дзеркало струму; (г) диференціальна пара; (e) багатоканальна триплетна реалізація диференціальної пари, що забезпечує підвищену лінійність.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Диференціальні пари ланцюгів кожна з дзеркалом струму.

що напруга затвор-джерело буде будь-яким необхідним для підтримки струму,\(I_{1}\) отриманого від решти ланцюга.

Диференціальний підсилювач CMOS з поточним дзеркальним навантаженням показаний на малюнку\(\PageIndex{3}\) (а). У цій конфігурації дзеркало струму представляє високий диференціальний імпеданс. Якщо імпеданс навантаження, представлений на термінал, позначений\(V_{\text{OUT}}\), менше, ніж це навантаження, то поточний дзеркально-навантажений диференціальний підсилювач реалізує нескінченний вихід, маючи істотну функціональність диференціальної схеми для відхилення синфазних сигналів. Існує ціна, яку потрібно заплатити за цей функціонал. Схема малюнка\(\PageIndex{3}\) (а) має три падіння напруги сток-джерело між рейками. Це зменшує наявні

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Мікрофотографія передавача\(90\text{ nm}\) CMOS WCDMA, що показує (MIXER) змішувач перетворення вгору і квадратурний дільник LO; (VGA) підсилювач змінного посилення каскаду; і двоступеневий підсилювач драйвера з\(9.6\text{ dBm}\) вихідною потужністю. Розмір штампу є\(1.1\text{ mm }\times\: 1.4\text{ mm}\). Після Ян [21], і Ян і Гард [12]. Авторські права K.Gard і X. Yang, використані з дозволу.

гойдалки напруги. Це одна з основних проблем, з якими стикаються RFIC, оскільки напруга живлення продиктована відносно низькими напругами живлення, які можуть підтримуватися в процесі, оптимізованому для низьковольтних цифрових схем. Поточне дзеркало також може бути реалізовано за допомогою BJT з поточною дзеркальною завантаженою диференціальною парою на основі BJT, показаною на малюнку\(\PageIndex{3}\) (b) як приклад.

Математично спрощена вхідно-вихідна характеристика MOSFET по суті є квадратичною (див. Рівняння (1.3.17)). Це завдання взяти такі фундаментальні алгебраїчні моделі та вивести рівняння, які описують роботу повної схеми; завдання, яке необхідно вирішити при синтезі схеми із заданими спотвореннями та шумовими показниками. Можна показати, що залежність між струмом стоку стоку і напругою сток-джерело має вигляд функції tanh [10]. Що стосується транспровідності\(g_{m}\), вона з'являється як квадратично-подібна функція з піковим значенням при напрузі стоку, яка контролюється\(W/L\) співвідношенням. Поставивши кілька диференціальних пар паралельно, причому кожна пара має шахові\(W/L\) співвідношення, може бути реалізований складний диференціальний підсилювач з підвищеною лінійністю [11, 12]. Ця схема відома як диференціальна пара multi-tanh. Триплетна багатотонна диференціальна пара показана на малюнку\(\PageIndex{2}\) (е). Детальний проект RFIC передбачає алгебраїчне виведення необхідних умов. Цей мережевий синтез, застосований до RFIC, досліджується в численних посиланнях [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20], а також у великій кількості праць з проектування RFIC. Синтез для управління спотвореннями та шумом лежить в основі дизайну RFIC. Збір нових топологій схем та методів їх синтезу (наприклад, з конференційних та журнальних робіт та патентів) є важливою частиною проектування RFIC; що не так сильно відрізняється від процесу для всіх інших форм проектування схем.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) - це фотомікрофотографія передавача\(90\text{ nm}\) WCDMA. Конструкція складається з трьох блоків: змішувача, що перетворюється вгору (MIXER), підсилювача каскакоду зі змінним коефіцієнтом посилення (VGA) та двоступеневого підсилювача драйвера. The

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Триступінчастий підсилювач приймача WCDMA, показаний на малюнку\(\PageIndex{4}\): (а) підсилювач каскаду змінного посилення; і (б) двоступеневий підсилювач драйвера. Після Ян [21], і Ян і Гард [12]. Авторські права K.Gard і X. Yang, використані з дозволу.

схема вихідних каскадів підсилювача показана на малюнку\(\PageIndex{5}\). Підсилювач змінного посилення, блок VGA, є підсилювачем каскаду зі змінним зміщенням верхнього транзистора в каскоді для реалізації змінного посилення. Кожен з підсилювачів у двоступеневому підсилювачі драйвера має різні,\(V_{DD}\) так що нелінійності двох ступенів можуть бути призначені для скасування, і, таким чином, загальна продуктивність підсилювача драйвера лінеаризована [12, 21].