cmos-rf-power

1.

Введение: зачем мощность в
кремнии
СВЧ-тракты уходят в массовый сегмент, а массовый сегмент — это КМОП.
• Актуальность. Фазированные антенные решётки 5G FR2,
автомобильные радары 24 и 77 ГГц, спутниковые терминалы —
всюду требуются сотни однотипных каналов.
• Почему КМОП. Только кремниевая технология позволяет
разместить ВЧ-тракт, синтезатор, управление и цифровую
калибровку на одном кристалле.
• Проблема. Масштабирование норм снижает напряжение
питания и пробивные напряжения быстрее, чем растут рабочие
частоты.
• Цель работы. Систематизировать методы повышения
выходной мощности СВЧ КМОП без потери линейности и
надёжности.
Физический предел
каскада
P_вых ≈ (V_DD −
V_кол)² ⁄ 2R_опт

2.

КМОП 65–180 нм: возможности и
ограничения
Что даёт технология
Что ограничивает
• Интеграция. ВЧ-часть, ЦАП/АЦП, логика и память в одном
кристалле.
• Низкое напряжение питания. 1,0–1,2 В на 65 нм против 1,8 В
на 180 нм.
• Стоимость и повторяемость. Массовое производство и
отлаженные библиотеки.
• Пробой и деградация. Ограничения по напряжению, горячие
носители.
• Скорость. Граничные частоты позволяют работать в
миллиметровом диапазоне.
• Потери в подложке. Ухудшена добротность катушек и
трансформаторов.
• Цифровая поддержка. Калибровка и адаптивное смещение
реализуются почти бесплатно.
• Динамический диапазон. Окно линейной работы сужается
вместе с питанием.

3.

Где КМОП работает в приёмопередающем тракте
• Усилитель мощности — ключевой и самый проблемный блок.
• Малошумящий усилитель — задаёт нижнюю границу
динамического диапазона.
• Аттенюатор — управление амплитудой при формировании
луча.
• Фазовращатель — управление фазой канала решётки.
[Блок-схема приёмо-передающего
тракта]
• Приёмо-передающий ключ — разделение и раскачка
выходного каскада.
Кристалл КМОП

4.

Повышение мощности: каскод и
суммирование
Оптимизация каскода
Комбинирование выходных каскадов
Напряжение распределяется между двумя приборами: нижний
с тонким оксидом обеспечивает крутизну, верхний принимает
на себя размах на стоке.
Несколько ячеек работают параллельно, мощности
складываются в сумматоре — токовом, Вилкинсона или
трансформаторном.
• Питание поднимается примерно вдвое
• N ячеек дают прирост до 10·lg N дБ
• Самосмещение затвора выравнивает напряжения
• Снижает трансформацию импеданса
• Плата: рост шума и потеря усиления
• Плата: площадь и потери в пассивных элементах

5.

Повышение мощности: стек и
суммирование через баллун
Стек-усилитель
Суммирование через баллун
N последовательно включённых транзисторов делят полный
размах поровну, каждый остаётся в безопасной области.
Дифференциальные ячейки нагружены на обмотки, мощность
складывается в общей вторичной с переходом к
несимметричному выходу.
V_размах ≈ N·V_DD ⇒ P_вых ↑ N²
Высокое R_опт — плюс: потери согласования падают.
• Сумматор, согласование, симметрирование — одним элементом
• Подавление чётных гармоник дифференциальной работой
• Критично качество магнитной связи обмоток

6.

Пример: стековая ячейка с
трансформаторным
суммированием
• Четыре прибора в стеке поднимают допустимый размах до ≈4·V_DD
при сохранении безопасных напряжений.
• Ёмкостной делитель в затворах задаёт равномерное распределение
напряжения по стеку.
• Две дифференциальные ячейки суммируются на вторичной
обмотке — выигрыш около 3 дБ минус потери.
• Типовой результат: выходная мощность +20…+24 дБм при КПД
добавленной мощности 25–30%.
[Упрощённая схема стекового
усилителя с трансформаторным
суммированием]

7.

Преодоление мощностных
ограничений
Поднять мощность мало — её нужно отдать без искажений и деградации кристалла.
Линейность
Шум и надёжность
• Адаптивное смещение компенсирует сжатие крутизны.
• Согласование по шуму в МШУ удерживает нижнюю границу.
• Компенсация производных крутизны гасит нелинейность.
• Дифференциальная топология подавляет наводки цифровой
части.
• Аналоговые предыскажения выравнивают характеристики.
• Распределение размаха защищает от пробоя и горячих
носителей.
• Цифровые предыскажения подстраиваются по обратной
связи.
• Плотность мощности ограничивает реальный уровень
выходной мощности.

8.

Динамический диапазон тракта
• Сверху диапазон ограничен сжатием, снизу — коэффициентом
шума приёмника.
• Снижение напряжения питания сдвигает верхнюю границу вниз —
окно сужается.
• Стек и суммирование поднимают точку сжатия, расширяя диапазон
сверху.
[Диаграмма динамического диапазона]
• Линеаризация отодвигает интермодуляционные составляющие
ниже уровня шума.
• Переключаемые режимы усиления позволяют менять положение
окна под уровень сигнала.

9.

Ключевые источники
Работы, задавшие рассмотренные архитектурные подходы.
2002
I. Aoki, S. Kee, D. Rutledge, A. Hajimiri. Полностью интегрированный усилитель мощности на архитектуре
распределённого активного трансформатора
IEEE J. Solid-State Circuits
2003
T. Sowlati, D. Leenaerts. Усилитель мощности 2,4 ГГц на КМОП 0,18 мкм с самосмещённым каскодом
IEEE J. Solid-State Circuits
2010
S. Pornpromlikit и др. Линейный усилитель мощности ваттного уровня на стековых транзисторах
IEEE Trans. Microw. Theory Techn.
2014
A. Chakrabarti, H. Krishnaswamy. Высокоэффективные стековые усилители миллиметрового диапазона
IEEE Trans. Microw. Theory Techn.

10.

Заключение
Что показано
Перспективы
• Ограничение мощности имеет технологическую природу, но
обходится схемотехнически.
• Совместная оптимизация схемы и цифровой коррекции на
одном кристалле.
• Каскод, стек, параллельное суммирование решают одну
задачу разными ценами.
• Развитие пассивных структур с повышенной добротностью.
• Стек и трансформаторное суммирование дают лучший
компромисс на 65–90 нм.
• Масштабирование подхода на миллиметровый диапазон.
• Линеаризация — обязательная часть решения для
расширения диапазона.
• Переход к кремнию на изоляторе для превышения
возможностей объёмной КМОП.

11.

Спасибо за внимание
Вопросы по методам повышения выходной мощности и их применению в приёмо-передающих
трактах.
Докладчик
Организация
Контакт
Фамилия И. О.
Название
e-mail