基于射頻功率放大器驅動(dòng)器的無(wú)線(xiàn)系統設計

目前，已經(jīng)可以在1.2V 65nm CMOS技術(shù)的基礎上實(shí)現8Vpp和脈沖寬度調制射頻高壓/大功率驅動(dòng)器。在0.9到3.6GHz的工作頻率范圍內，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驅動(dòng)器能夠直接連接并驅動(dòng)LDMOS和GaN等功率晶體管。該驅動(dòng)器的最大導通電阻為4.6Ω。2.4GHz時(shí)所測量的占空比控制范圍為30.7%到71.5%.通過(guò)使用新型薄氧化層漏極延伸MOS器件，該驅動(dòng)器可實(shí)現可靠的高壓操作，而這一新型器件通過(guò)CMOS技術(shù)實(shí)現時(shí)無(wú)需額外的費用。

　　技術(shù)背景

　　現代無(wú)線(xiàn)手持通信無(wú)線(xiàn)電(包括射頻(RF)功率放大器(PA)在內)均是在深亞微米CMOS中得以實(shí)現。不過(guò)，在無(wú)線(xiàn)基礎設施系統中，由于需要較大的輸出功率等級，必須通過(guò)硅LDMOS或混合技術(shù)(如GaA和更先進(jìn)的GaN)才能實(shí)現RF PA.對下一代可重新配置的基礎設施系統而言，開(kāi)關(guān)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)射器的所有數字CMOS模塊相連，需要能夠生成高壓(HV)擺幅的寬帶RF CMOS驅動(dòng)器。這樣不僅能實(shí)現更優(yōu)的高功率晶體管性能，而且還能將數字信號處理直接用于控制所需的SMPA輸入脈沖波形，從而提高系統整體性能。

　　設計挑戰

　　LDMOS或GaN SMPA的輸入電容通常為幾個(gè)皮法，必須由振幅高于5Vpp的脈沖信號驅動(dòng)。因此，SMPA CMOS驅動(dòng)器必須同時(shí)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動(dòng)器的實(shí)現提出了諸多挑戰，尤其是極低的最大工作電壓(即可靠性問(wèn)題引起的低擊穿電壓)和損耗較大的無(wú)源器件(例如用于阻抗變換)。

　　現有解決方案

　　用于實(shí)現高壓電路的方法并不多?？梢圆捎媚軌驅?shí)現高壓容限晶體管的技術(shù)解決方案(如多柵氧化層)，但代價(jià)是生產(chǎn)流程較昂貴，必須向基線(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)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)器件的數量增加至2個(gè)或3個(gè)以上時(shí)。另一種實(shí)現高壓電路的途徑就是如本文所述的在基線(xiàn)CMOS技術(shù)中使用漏極延伸場(chǎng)效應管(EDMOS)來(lái)實(shí)現。

　　新的解決方案

　　漏極延伸器件基于智能布線(xiàn)技術(shù)，這得益于在A(yíng)CTIVE(硅)、STI(氧化層)及GATE (多晶硅)區域中可實(shí)現十分精細的尺寸，并能在沒(méi)有附加費用的條件下，利用基線(xiàn)深亞微米CMOS技術(shù)實(shí)現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(shí)際上較低，但由于消除了與其他HV等效電路相關(guān)的重要損耗機制(如串聯(lián)陰極)，它們仍能在整個(gè)高壓電路中實(shí)現較高整體性能。

　　因此，本文所述的高壓CMOS驅動(dòng)器拓撲結構采用EDMOS器件來(lái)避免器件堆疊。RF CMOS驅動(dòng)器采用薄氧化層EDMOS器件通過(guò)65nm低待機功耗基線(xiàn)CMOS工藝制造，且無(wú)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(guò)30GHz和50GHz,它們的擊穿電壓限度為12V.高速CMOS驅動(dòng)器前所未有地實(shí)現了高達3.6GHz的8Vpp輸出擺幅，因而能為像GaN這樣的基于寬帶隙的SMPA提供驅動(dòng)。

　　圖1為本文所述驅動(dòng)器的結構示意圖。輸出級包括一個(gè)基于EDMOS的逆變器。EDMOS器件可由低壓高速標準晶體管直接驅動(dòng)，從而簡(jiǎn)化了輸出級與其它數字和模擬CMOS電路在單顆芯片上的集成。每個(gè)EDMOS晶體管均由通過(guò)3個(gè)CMOS逆變器級實(shí)現的錐形緩沖器(圖1中的緩沖器A和B)提供驅動(dòng)。兩個(gè)緩沖器具有不同的直流等級，以確保每個(gè)CMOS逆變器都能在1.2V的電壓下(受技術(shù)所限，即VDD1-VSS1=VDD0-VSS0=1.2V)穩定運行。為了使用不同的電源電壓并允許相同的交流操作，兩個(gè)緩沖器的構造完全相同，并內置于單獨的Deep N-Well(DNW)層中。驅動(dòng)器的輸出擺幅由VDD1-VSS0決定，可隨意選擇不超過(guò)EDMOS器件最大擊穿電壓的任意值，而內部驅動(dòng)器的運行保持不變。直流電平位移電路可分離每個(gè)緩沖器的輸入信號。
　　

　　圖1:RF CMOS驅動(dòng)電路示意圖和相應的電壓波形。

　　CMOS驅動(dòng)器的另一個(gè)功能就是對輸出方波的脈沖寬度控制，該功能由脈寬調制(PWM)通過(guò)可變柵偏壓技術(shù)實(shí)現。PWM控制有助于實(shí)現微調和調諧功能，從而提升高級SMPA器件的性能。緩沖器A和B的第一個(gè)逆變器(M3)的偏置電平可參照該逆變器本身的開(kāi)關(guān)閾值對RF正弦輸入信號進(jìn)行上移/下移。偏置電壓的改變將使逆變器M3的輸出脈沖寬度發(fā)生變化。然后，PWM信號將通過(guò)另外兩個(gè)逆變器M2和M1進(jìn)行傳輸，并在RF驅動(dòng)器的輸出級(EDMOS)合并。

　　為確保輸出級之前的兩個(gè)RF路徑的布局對稱(chēng)，所有逆變器(從M0到M3)都采用了統一的PMOS-to-NMOS晶體管尺寸比。所有CMOS級中每個(gè)加寬晶體管(M0級的總寬度可達4,032μm)的布局被分割成若干個(gè)單位晶體管布局參數化單元(P-cell)，并通過(guò)優(yōu)化實(shí)現最高頻率。每個(gè)P-cell都包含一個(gè)版圖不對稱(chēng)的多指晶體管(具有最小柵長(cháng))、護圈和所有與頂層內部金屬的互連。每個(gè)晶體管的布局均可充分擴展。

　　此外，該驅動(dòng)器還包含大尺寸的片上交流耦合和交流退耦平行板交指型金屬邊電容器。電容器Cin與兩個(gè)DC輸入偏壓線(xiàn)路(BIASa,b)一起實(shí)現直流電平位移。使用片上電容器Cout可實(shí)現DC耦合或AC耦合兩種方式的輸出。AC耦合可驅動(dòng)需要負柵偏壓的功率晶體管(如GaN)。將四條寬粗的電源線(xiàn)(VSS0,1和VDD0,1)布線(xiàn)于位于兩塊更厚的金屬頂部上的芯片內。采用電容器C0、C1、C2和C3對內部電源線(xiàn)進(jìn)行退耦。此外還增加了專(zhuān)用的ESD保護電路以保護CMOS芯片。

　　CMOS驅動(dòng)器的總體芯片面積為1.99mm2,而工作面積(EDMOS和緩沖器)僅為0.16mm2.將原型裸片安裝于PCB上以便于測試，并在50Ω的負載環(huán)境下進(jìn)行測量。使用高速數字采樣示波器可捕捉時(shí)域信號。圖2顯示了在3V、5V、7V和9V的供電電壓下，且輸入正弦波為2.1GHz時(shí)，驅動(dòng)器DC耦合輸出的時(shí)域波形。在50Ω負載和9V電源下所測量的最大擺幅為8.04Vpp.測量到的驅動(dòng)器導通電阻低至4.6Ω。圖3顯示了測量到的脈沖寬度(以占空比表示)控制范圍，以DC偏置電平(即BIASa,b-VSS0,1)的函數表示。該圖還顯示了不同占空比條件下的兩種時(shí)域波形。在2.4GHz頻率和5V電源下可觀(guān)察到占空比控制范圍為30.7%至71.5%.在高達3.6GHz的頻率下，RF驅動(dòng)器將其脈沖波形保持為8Vpp.在2.4GHz下進(jìn)行的另一項測量表明，在5V和9V電源下連續工作24小時(shí)后，性能并未發(fā)生下降。

　　圖2:2.1GHz時(shí)，多種電壓下監測到的時(shí)域波形(VDD1- VSS0= 3V, 5V, 7V, 9V)。

　　

　　圖3:2.4GHz時(shí)測量到的占空比。

　　與之前最先進(jìn)的CMOS器件相比，上述驅動(dòng)器實(shí)現了更大的輸出電壓擺幅和更高的工作頻率。此外，該CMOS驅動(dòng)器具有與SiGe-BiCMOS等效電路相近的性能。相比之前所有HV驅動(dòng)器，本文介紹的芯片具有帶RF控制功能的附加脈沖以提升SMPA系統性能。

　　本文小結

　　本文主要描述了采用1.2V基線(xiàn)65nm CMOS技術(shù)實(shí)現8.04Vpp和3.6GHz工作頻率的首款寬帶PWM控制RF SMPA驅動(dòng)器。該CMOS驅動(dòng)器連接了數字CMOS電路與高功率晶體管，可充當面向無(wú)線(xiàn)基礎設施系統的下一代可重新配置多頻多模發(fā)射器的主要構建模塊。