Digitaalisen pseudo-satunnaisen binaarijonon (PRBS) käyttö modulattorin linearisoinnissa mahdollistaa tarkat virheiden estimaatiot yksittäisille DAC:n yksikkösoluille. PRBS-lähde toimii alentuneella bittinopeudella (fS/256), mikä keskittyy signaalin tehon modulaattorin kaistan sisäisiin taajuuksiin. Ristikorrelaation sijaan käytetään risti-kovarianssia, joka poistaa offsetin ennen korrelaation laskemista, mikä parantaa estimaation tarkkuutta erityisesti modulattorin offsetin vaikutuksen minimoimiseksi.

Jokainen DAC-yksikkösolu w_i korvataan vuorollaan testilähteellä w_T, jonka avulla lasketaan vastaava risti-kovarianssi Ri testisignaalin eT(n) ja modulaattorin ulostulon y(n) välillä. Virhe ε_i kullekin yksikkösolulle määritellään suhteessa referenssisoluun w_REF, jonka valinta perustuu risti-kovarianssin arvoon, joka on lähimpänä kaistan puoliväliä (MIN + MAX)/2. Tällä varmistetaan, että kalibrointialue kattaa sekä positiiviset että negatiiviset virhemarginaalit tasapainoisesti, estäen AUXDAC:n katkeamisen (clipping).

Virheiden korjaus perustuu nMOS-transistorin runkojännitteen (body-bias, V_BB) säätöön. Positiivinen virhe ε_i tarkoittaa, että yksikkösolu tuottaa liian suuren virran, jolloin V_BB:tä alennetaan kasvattaen kynnysjännitettä V_TH, mikä pienentää lähdön virtaa ID. Näin yksikkösolujen virheet minimoidaan iteratiivisesti siten, että AUXDAC-arvot päivittyvät virheiden pienentämiseksi. Referenssisolun AUXDAC pidetään kiinteänä keskipisteessä (mid-code), mikä toimii vakiona kalibroinnin aikana.

AUXDAC:n lineaarisuus ja resoluutio ovat keskeisiä kalibroinnin tarkkuuden kannalta. Vähintään 8-bittinen resoluutio varmistaa 90 dBc:n jälkikorjatun SFDR-arvon, mutta käytännössä 9-bittinen resoluutio valitaan kompensoimaan sekä systemaattisia että satunnaisia virheitä. Jokaiselle N+1 DAC-yksikölle tarvitaan näin 288 digitaalista bittiä tallennukseen ja ohjaukseen.

Modulaattorin prototyyppi on suunniteltu 30 MHz kaistalle, 12 bitin tehokkaalle resoluutiolle (ENOB) ja 74 dB SNDR-arvolle. Sisäinen kvantisaattori on 5-bittinen asynkroninen SAR-AD-muunnin, joka hyödyntää ylimääräistä silmukaviivettä (ELD) 0,5 näytteen ajan, mahdollistaen korkean tehon tehokkuuden ja riittävän ajastuksen modulaattorin ja DAC:n välillä.

PRBS-signaalin ja modulaattorin tulojen korreloimattomuus mahdollistaa virheiden taustalla tapahtuvan estimoinnin ja korjauksen jatkuvasti ilman häiritsevää vaikutusta varsinaiseen signaaliin. Tämä menetelmä takaa tehokkaan ja dynaamisen linearisoinnin, joka säilyttää signaalin siisteyden ja dynaamisen alueen laajuuden.

On tärkeää ymmärtää, että kalibrointiprosessin tarkkuus ja toimivuus riippuvat vahvasti oikeasta referenssin valinnasta, virheiden dynaamisesta estimoinnista ja AUXDAC:n riittävästä resoluutiosta. Lisäksi moduloinnin aikajärjestelyt, kuten ELD, ovat olennaisia, jotta digitaalisen kalibroinnin laskentateho ja analoginen signaalinkäsittely toimivat optimaalisesti rinnakkain. Näiden komponenttien yhteispeli varmistaa, että lineaarisuus paranee merkittävästi ilman lisähäiriöitä modulaattorin toiminnassa.

Miten SOI-CMOS-teknologia parantaa RF-kytkimien suorituskykyä?

SOI-CMOS-teknologian käyttöönotto RF-kytkimissä on ollut merkittävä kehitysaskel radiotaajuuspiirien suunnittelussa ja toteutuksessa. Erityisesti sub-GHz-taajuuksilla saavutetaan poikkeuksellisen kilpailukykyiset ominaisuudet, jotka yhdistävät kustannustehokkuuden, monoliittisen integroinnin mahdollisuudet ja erinomaisen suorituskyvyn niin pienissä kuin suurissakin signaaleissa. Yksi keskeinen mittari, RonCoff, eli kytkimen resistanssin ja kapasitanssin tulo, on SOI-CMOS-kytkimissä kehittynyt huomattavasti viimeisten 15 vuoden aikana, pudoten kolminkertaisesti, mikä kuvastaa laitteen pienempiä häviöitä ja tehokkaampaa toimintaa.

SOI-rakenteessa MOSFET-transistorit eristetään piisirun pohjalevystä hautautuneella oksidikerroksella (BOX), mikä vähentää haitallista kapasitanssia ja virranvuotoja. Tämä galvaninen eristys sekä käytetty korkean resistiivisyyden piipohja parantavat merkittävästi kytkimen häviöitä ja parantavat sen herkkyyttä erilaisille jännitetasoille. Kuitenkin korkean resistiivisyyden piikiekkojen hapettaminen aiheuttaa parasittisen pintavirtauksen, joka heikentää transistorien epälineaarista suorituskykyä ja herkkyyttä tasajännitteille. Ratkaisuna on kerros, joka sieppaa vapaat varaukset BOX:n ja piin rajapinnassa, palauttaen piirilevyn normaalin resistiivisyyden ja vähentäen RF-tappioita sekä ristisignaalia.

Yksittäinen RF-kytkin MOSFET-transistorilla rakentuu perusperiaatteeltaan samoin kuin yleiskäyttöinen MOS-transistori, mutta se on optimoitu toimimaan pääasiassa katkaisutilassa (off) ja triodialueella (on). Yksi keskeinen elementti on portin vastus, jonka arvo määrää kytkentäajan ja epälineaarisuuden tason. Vaikka vastuksen poistaminen lyhentäisi kytkentäaikaa nanosekuntitasolle, se heikentäisi lineaarisuutta ja aiheuttaisi epätasaisen jännejakauman portin ja lähteen välillä. Portin vastuksen ja kapasitanssien muodostama aikavakio on siksi kompromissi kytkentäajan, lineaarisuuden ja häviöiden välillä, joista viestintäjärjestelmien kytkimillä on tiukat vaatimukset.

Kytkimen off-tila muistuttaa pääpiirteissään kapasitanssia, jonka muodostavat pääasiassa portin ja lähteen väliset parasittiset kapasitanssit sekä lähde–laskin-kapasitanssi, joka syntyy p-tyypin pienen varauksensiirron alueella. Lähde–laskin-kapasitanssin arvo riippuu vahvasti jännitteen aiheuttamasta sähköisestä voimakentästä, joka määrittelee positiivisen varauksen syvyyden kanavan lähellä. Käytännössä transistorin porttijännite ohjaa kanavan kääntymisen ja siten kytkimen tilan: jännite alle kynnysarvon estää virran kulun ja yli kynnysarvon avaa kanavan.

Lisäksi SOI-CMOS-tekniikka hyödyntää hybridi-rakenteita, joissa FEOL (front-end of line) -prosessit perustuvat uusimpiin litografia- ja transistoriteknologioihin, mutta BEOL (back-end of line) -kerrokset sisältävät vanhempia paksuja metallikerroksia. Tämä yhdistelmä mahdollistaa sekä pienen RonCoff-arvon että kytkimen kompaktin koon. Korkean resistiivisyyden ja eristyskerrosten yhdistelmä parantaa merkittävästi myös kytkimen häviöitä ja vähentää kytkentävirtoja, mikä on olennaista matalatehoisissa ja herkissä RF-sovelluksissa.

On tärkeää ymmärtää, että RF-kytkimien suunnittelu on jatkuvaa kompromissien hakua, jossa lineaarisuus, kytkentäaika, häviöt ja häiriönsieto määrittävät lopullisen ratkaisun. SOI-CMOS-tekniikka tarjoaa tässä tasapainossa vahvan perustan, mutta suunnittelijan tulee huomioida myös muun muassa pintavirtauksen vaikutukset ja transistorien epälineaariset ominaisuudet, jotta kytkimen suorituskyky vastaa tiukkoja modernin langattoman viestinnän vaatimuksia. Lisäksi transistorin rakenteen ja materiaalien hienosäätö, kuten portin vastuksen arvo ja eristyskerrosten optimointi, vaikuttavat suoraan kytkimen käyttökohteeseen ja kestävyyteen.

Miten lämpötilan mittaaminen ja havainnointi toimii kemianteollisuudessa ja valmistusprosessissa?
Miten nociceptiiviset signaalit modulaatio ja kipu syntyy: Endogeenisten opioidien ja interneuronien rooli
Miten valita ja käyttää piirustustarvikkeita luovan ilmaisun tueksi?
Miten poliittiset tutkimukset voivat muuttaa oikeuslaitoksen luonteen?