采用射频功率放大器驱动器的无线系统实现

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1、采 用 射 频 功 率 放 大 器 驱 动 器 的 无 线 系 统 实 现摘 要 ： 采 用 射 频 功 率 放 大 器 驱 动 器 的 无 线 系 统 实 现关 键 字 ： 射 频 , 功 率 放 大 器 , 驱 动 器 , 晶 体 管 , CMOS业 界 领 先 的 TEMPO 评 估 服 务 每 天 新 产 品 时 刻 新 体 验 华 南 城 ： 中 心 枢 纽 连 接 四 方全 球 认 证 证 高 性 能 贴 片 片 保 险 丝 FRAM 铁 铁 电 非 易 失 性 性 随 机 存 取 存 储 储 器 分 享您 的 故 事 ， 赢 取 英 国 FA 杯 决 赛 之 旅 IC 分 销 商

2、 如 何 选 择 管 理 软 件 目 前 ， 已 经 可 以在 1.2V 65nm CMOS 技 术 的 基 础 上 实 现 8Vpp 和 脉 冲 宽 度 调 制 射 频 高 压 /大 功 率 驱动 器 。 在 0.9 到 3.6GHz 的 工 作 频 率 范 围 内 ， 该 芯 片 在 9V 的 工 作 电 压 下 可 向50 负 载 提 供 8.04Vpp 的 最 大 输 出 摆 幅 。 这 使 得 CMOS 驱 动 器 能 够 直 接 连 接 并 驱动 LDMOS 和 GaN 等 功 率 晶 体 管 。 该 驱 动 器 的 最 大 导 通 电 阻 为 4.6 。 2.4GHz 时所 测

3、量 的 占 空 比 控 制 范 围 为 30.7%到 71.5%.通 过 使 用 新 型 薄 氧 化 层 漏 极 延 伸MOS 器 件 ， 该 驱 动 器 可 实 现 可 靠 的 高 压 操 作 ， 而 这 一 新 型 器 件 通 过 CMOS 技 术 实现 时 无 需 额 外 的 费 用 。技 术 背 景现 代 无 线 手 持 通 信 无 线 电 (包 括 射 频 (RF)功 率 放 大 器 (PA)在 内 )均 是 在 深 亚 微米 CMOS 中 得 以 实 现 。 不 过 ， 在 无 线 基 础 设 施 系 统 中 ， 由 于 需 要 较 大 的 输 出 功 率 等 级 ，必 须 通 过

4、 硅 LDMOS 或 混 合 技 术 (如 GaA 和 更 先 进 的 GaN)才 能 实 现 RF PA.对 下 一代 可 重 新 配 置 的 基 础 设 施 系 统 而 言 ， 开 关 模 式 PA(SMPA)似 乎 能 为 多 频 带 多 模 式 发射 器 提 供 所 需 的 灵 活 性 和 高 性 能 。 但 是 ， 为 了 将 基 站 SMPA 中 使 用 的 高 功 率 晶 体管 与 发 射 器 的 所 有 数 字 CMOS 模 块 相 连 ， 需 要 能 够 生 成 高 压 (HV)摆 幅 的 宽 带 RF CMOS 驱 动 器 。 这 样 不 仅 能 实 现 更 优 的 高 功

5、 率 晶 体 管 性 能 ， 而 且 还 能 将 数 字 信 号 处 理直 接 用 于 控 制 所 需 的 SMPA 输 入 脉 冲 波 形 ， 从 而 提 高 系 统 整 体 性 能 。设 计 挑 战LDMOS 或 GaN SMPA 的 输 入 电 容 通 常 为 几 个 皮 法 ， 必 须 由 振 幅 高 于 5Vpp 的脉 冲 信 号 驱 动 。 因 此 ， SMPA CMOS 驱 动 器 必 须 同 时 提 供 高 压 和 瓦 特 级 的 射 频 功 率 。遗 憾 的 是 ， 深 亚 微 米 CMOS 给 高 压 和 大 功 率 放 大 器 及 驱 动 器 的 实 现 提 出 了 诸

6、多 挑 战 ，尤 其 是 极 低 的 最 大 工 作 电 压 (即 可 靠 性 问 题 引 起 的 低 击 穿 电 压 )和 损 耗 较 大 的 无 源器 件 (例 如 用 于 阻 抗 变 换 )。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网现 有 解 决 方 案用 于 实 现 高 压 电 路 的 方 法 并 不 多 。 可 以 采 用 能 够 实 现 高 压 容 限 晶 体 管 的 技 术 解决 方 案 (如 多 栅 氧 化 层 )， 但 代 价 是 生 产 流 程 较 昂 贵 ， 必 须 向 基 线 CMOS 工 艺 添 加额 外 的 掩 模 和 处 理 步 骤 ， 因 此 这 种 方

7、案 并 不 理 想 。 此 外 ， 为 可 靠 地 增 加 高 压 耐 受 力 ，可 以 采 用 仅 使 用 标 准 基 线 晶 体 管 (使 用 薄 /厚 氧 化 层 器 件 )的 电 路 方 案 。 在 第 二 种方 法 中 ， 器 件 堆 叠 或 串 联 阴 极 是 最 常 见 的 例 子 。 但 是 ， 射 频 复 杂 性 和 性 能 具 有 很 大的 局 限 性 ， 尤 其 是 当 串 联 阴 极 (或 堆 叠 )器 件 的 数 量 增 加 至 2 个 或 3 个 以 上 时 。另 一 种 实 现 高 压 电 路 的 途 径 就 是 如 本 文 所 述 的 在 基 线 CMOS 技

8、术 中 使 用 漏 极 延 伸场 效 应 管 (EDMOS)来 实 现 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网新 的 解 决 方 案漏 极 延 伸 器 件 基 于 智 能 布 线 技 术 ， 这 得 益 于 在 ACTIVE(硅 )、 STI(氧 化 层 )及 GATE (多 晶 硅 )区 域 中 可 实 现 十 分 精 细 的 尺 寸 ， 并 能 在 没 有 附 加 费 用 的 条 件 下 ，利 用 基 线 深 亚 微 米 CMOS 技 术 实 现 PMOS 和 NMOS 两 种 高 压 容 限 晶 体 管 。 尽 管 与 采 用该 工 艺 的 标 准 晶 体 管 相 比 ， 这

9、些 EDMOS 设 备 的 RF 性 能 实 际 上 较 低 ， 但 由 于 消 除了 与 其 他 HV 等 效 电 路 相 关 的 重 要 损 耗 机 制 (如 串 联 阴 极 )， 它 们 仍 能 在 整 个 高 压电 路 中 实 现 较 高 整 体 性 能 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网因 此 ， 本 文 所 述 的 高 压 CMOS 驱 动 器 拓 扑 结 构 采 用 EDMOS 器 件 来 避 免 器 件 堆叠 。 RF CMOS 驱 动 器 采 用 薄 氧 化 层 EDMOS 器 件 通 过 65nm 低 待 机 功 耗 基 线 CMOS工 艺 制 造 ， 且 无

10、 需 额 外 的 掩 模 步 骤 或 工 序 。 对 PMOS 和 NMOS 而 言 ， 这 些 器 件 上 测量 到 的 fT 分 别 超 过 30GHz 和 50GHz,它 们 的 击 穿 电 压 限 度 为 12V.高 速 CMOS 驱 动器 前 所 未 有 地 实 现 了 高 达 3.6GHz 的 8Vpp 输 出 摆 幅 ， 因 而 能 为 像 GaN 这 样 的 基于 宽 带 隙 的 SMPA 提 供 驱 动 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 1 为 本 文 所 述 驱 动 器 的 结 构 示 意 图 。 输 出 级 包 括 一 个 基 于 EDMOS 的 逆 变

11、器 。 EDMOS 器 件 可 由 低 压 高 速 标 准 晶 体 管 直 接 驱 动 ， 从 而 简 化 了 输 出 级 与 其 它 数 字和 模 拟 CMOS 电 路 在 单 颗 芯 片 上 的 集 成 。 每 个 EDMOS 晶 体 管 均 由 通 过 3 个 CMOS逆 变 器 级 实 现 的 锥 形 缓 冲 器 (图 1 中 的 缓 冲 器 A 和 B)提 供 驱 动 。 两 个 缓 冲 器 具 有不 同 的 直 流 等 级 ， 以 确 保 每 个 CMOS 逆 变 器 都 能 在 1.2V 的 电 压 下 (受 技 术 所 限 ，即 VDD1-VSS1=VDD0-VSS0=1.2V

12、)稳 定 运 行 。 为 了 使 用 不 同 的 电 源 电 压 并 允 许 相 同 的交 流 操 作 ， 两 个 缓 冲 器 的 构 造 完 全 相 同 ， 并 内 置 于 单 独 的 Deep N-Well(DNW)层中 。 驱 动 器 的 输 出 摆 幅 由 VDD1-VSS0 决 定 ， 可 随 意 选 择 不 超 过 EDMOS 器 件 最 大击 穿 电 压 的 任 意 值 ， 而 内 部 驱 动 器 的 运 行 保 持 不 变 。 直 流 电 平 位 移 电 路 可 分 离 每 个缓 冲 器 的 输 入 信 号 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 1:RF CMOS

13、 驱 动 电 路 示 意 图 和 相 应 的 电 压 波 形 。CMOS 驱 动 器 的 另 一 个 功 能 就 是 对 输 出 方 波 的 脉 冲 宽 度 控 制 ， 该 功 能 由 脉 宽 调 制(PWM)通 过 可 变 栅 偏 压 技 术 实 现 。 PWM 控 制 有 助 于 实 现 微 调 和 调 谐 功 能 ， 从 而 提 升高 级 SMPA 器 件 的 性 能 。 缓 冲 器 A 和 B 的 第 一 个 逆 变 器 (M3)的 偏 置 电 平 可 参 照 该逆 变 器 本 身 的 开 关 阈 值 对 RF 正 弦 输 入 信 号 进 行 上 移 /下 移 。 偏 置 电 压 的

14、改 变 将 使逆 变 器 M3 的 输 出 脉 冲 宽 度 发 生 变 化 。 然 后 ， PWM 信 号 将 通 过 另 外 两 个 逆 变 器 M2和 M1 进 行 传 输 ， 并 在 RF 驱 动 器 的 输 出 级 (EDMOS)合 并 。为 确 保 输 出 级 之 前 的 两 个 RF 路 径 的 布 局 对 称 ， 所 有 逆 变 器 (从 M0 到 M3)都采 用 了 统 一 的 PMOS-to-NMOS 晶 体 管 尺 寸 比 。 所 有 CMOS 级 中 每 个 加 宽 晶 体 管 (M0级 的 总 宽 度 可 达 4,032 m)的 布 局 被 分 割 成 若 干 个 单

15、位 晶 体 管 布 局 参 数 化 单 元(P-cell)， 并 通 过 优 化 实 现 最 高 频 率 。 每 个 P-cell 都 包 含 一 个 版 图 不 对 称 的 多指 晶 体 管 (具 有 最 小 栅 长 )、 护 圈 和 所 有 与 顶 层 内 部 金 属 的 互 连 。 每 个 晶 体 管 的 布 局均 可 充 分 扩 展 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网此 外 ， 该 驱 动 器 还 包 含 大 尺 寸 的 片 上 交 流 耦 合 和 交 流 退 耦 平 行 板 交 指 型 金 属 边电 容 器 。 电 容 器 Cin 与 两 个 DC 输 入 偏 压 线

16、路 (BIASa,b)一 起 实 现 直 流 电 平 位 移 。使 用 片 上 电 容 器 Cout 可 实 现 DC 耦 合 或 AC 耦 合 两 种 方 式 的 输 出 。 AC 耦 合 可 驱 动需 要 负 栅 偏 压 的 功 率 晶 体 管 (如 GaN)。 将 四 条 宽 粗 的 电 源 线 (VSS0,1 和 VDD0,1)布 线 于 位 于 两 块 更 厚 的 金 属 顶 部 上 的 芯 片 内 。 采 用 电 容 器 C0、 C1、 C2 和 C3 对内 部 电 源 线 进 行 退 耦 。 此 外 还 增 加 了 专 用 的 ESD 保 护 电 路 以 保 护 CMOS 芯 片 。CMOS 驱 动 器 的 总 体 芯 片 面 积 为 1.99mm2,而 工 作 面 积 (EDMOS 和 缓 冲 器 )仅 为0.16mm2.将 原 型 裸 片 安 装 于 PCB 上 以 便 于 测 试 ， 并 在 50 的 负 载 环 境 下 进 行 测量 。 使 用 高 速 数 字 采 样 示 波 器 可 捕 捉 时 域 信 号 。