Miten aktiivinen takaportin vahvistus parantaa transkonduktanssin lineaarisuutta?

Transkonduktanssin Gm lineaarisuuden saavuttaminen on olennainen tavoite piiritopologioissa, joissa lähtöjännitteen muutos Vin ei saa aiheuttaa poikkeamaa Gm:n pienois-signaalin arvosta Gm|Vin=0V. Tämä lineaarisuus saavutetaan, kun V²-muuttujan kvadrattiset kertoimet yhtälössä nollaantuvat, mikä edellyttää etu- ja takaporttitoimintojen gradienttien täsmäämistä. Näin ollen otetaan toinen derivaatta ja asetetaan sen arvo nollaksi, mikä johtaa ehtoihin, joilla takaporttivahvistuksen AB0 ja yli-ajojännitteen V* suhde täytyy olla tietynlainen lineaarisuuden ylläpitämiseksi.

Tämän periaatteen mukaan takaporttivahvistimen vahvistus on tarkasti määriteltävä, jotta Gmt säilyy lineaarisena. Esimerkiksi, jos takaporttivahvistin on replica-suunnittelu päätranskonduktorin kanssa ja γ-arvoksi asetetaan 1/12 (noin 83 mV/V), saadaan reaaliratkaisu AB0:n optimaaliselle arvolle. Käytännössä suurempi vahvistus vaaditaan, kun Vin:n yli-ajojännite on pieni, koska tällöin etuportin epälineaarinen gradientti on voimakkaampi kuin takaportin.

Takaportin kautta toteutettu lineaaristaminen näkyy selvästi virran ja transkonduktanssin kuvaajissa, joissa verrataan kompensoitua ja kompensoimatonta tilannetta. Lineaaristaminen toteutetaan negatiivisella takaisinkytkennällä, joka samalla vähentää kokonaisvahvistusta kerroin (1−γAB0). Tämä ilmiö tarkoittaa, että lineaarisuus ja vahvistustehokkuus ovat vastakkaisia tavoitteita, ja niiden välinen kompromissi täytyy huomioida suunnittelussa.

Virhettä ideaaliseen lineaariseen toimintaan nähden mitattaessa havaitaan merkittävä parannus kompensoidussa järjestelmässä, erityisesti pienillä tulojännitteen arvoilla. Tässä yhteydessä huomioidaan kuitenkin mallin rajoitukset: käytetty suureen signaalin malli jättää huomiotta kanavan pituuden modulaation ja toimii parhaiten saturaatioalueella, minkä vuoksi virran pienet epälineaarisuudet kasvavat jännitteen kasvaessa lähelle yli-ajojännitettä.

Analyysi osoittaa myös, että takaporttivahvistimen AB0 tulee olla tarkasti säädetty tiettyyn arvoon ALin optimaalisen lineaarisuuden saavuttamiseksi. Pieni yli- tai alivahvistus johtaa THD:n (kokonaisvärähtelyhäiriöiden) kasvuun, mutta noin 8 %:n korotus optimaaliseen vahvistukseen nähden voi parantaa lineaarisuutta vieläkin enemmän suurilla tulojännitteen arvoilla, mikä siirtää suurimman häiriön korkeampien harmonisten komponenttien puolelle. Näin saavutetaan pidempi lineaarinen toiminta-alue ja pienempi kokonaishäiriö.

Lisäksi transistorien lämpömelu on keskeinen tekijä piirin suorituskyvyssä. Lämpömelu mallinnetaan tyypillisesti virran lähteinä transistorin lähde- ja läpivientinapojen välillä. Takaporttivahvistimen osalta melun vaikutus tulee arvioida erikseen, sillä se voi vaikuttaa koko järjestelmän kohinasummaan. Melukertoimena käytetään yleensä arvoa 2/3, ja melun taajuuskaista huomioidaan mallinnuksessa. Näin voidaan analysoida melun lisääntymistä, kun takaporttivahvistinta käytetään lineaarisuuden parantamiseen.

Lineaarisuuden optimointi aktiivisen takaporttivahvistuksen avulla on siis monitahoinen haaste, jossa lineaarisuuden, vahvistustehokkuuden ja melutason välinen tasapaino on tärkeää. Ymmärrys yli-ajojännitteen, vahvistuksen, kompensaation ja PVT-tekijöiden yhteisvaikutuksesta on keskeistä onnistuneen ja toimivan transkonduktanssin lineaaristamisen toteuttamiseksi.

On tärkeää ymmärtää, että teoreettiset mallit ja yksinkertaistetut yhtälöt tarjoavat arvokkaan lähtökohdan, mutta niiden soveltaminen käytännön piireissä edellyttää huolellista suunnittelua ja kokeellista verifiointia. Lisäksi lineaarisuuden parantaminen voi johtaa kompromisseihin muissa suorituskykymittareissa, kuten virrankulutuksessa, melutasossa ja lämpötilastabiilisuudessa, jotka kaikki on otettava huomioon kokonaisvaltaisessa suunnittelussa.

Miksi valita jännitetilainen VCSEL-ajuri tehokkaaseen optiseen tiedonsiirtoon?

Nykyiset huippuluokan VCSEL-ajurit kykenevät jopa 71 Gbit/s datanopeuteen noin 13,4 pJ/bit tehokkuudella ja 56 Gbit/s jopa 0,71 pJ/bit teholla. Tämä luku paljastaa, että ajurin optimointi on kriittistä koko järjestelmän energiatehokkuuden parantamiseksi. Tässä yhteydessä esitellään uudenlainen jännitetilainen (voltage-mode, VM) VCSEL-ajuri, joka hyödyntää back-gate-trimmausta ja transistorien tarkkaa mitoittamista. Lisäksi käytetään lyhyen aallonpituuden jakotaajuusmodulaatiota (SWDM), jolla voidaan nelinkertaistaa kuitukohtainen datanopeus jopa 224 Gbit/s:iin.

Perinteisesti VCSEL-ajurit on toteutettu virratilalla (current-mode logic, CML) hyödyntäen nopeita NMOS/NPN-kytkimiä. CML-rakenteilla saavutetaan korkea kaistanleveys ja kontrolloitu lähtöimpedanssi, mikä soveltuu erityisesti kuparikaapeleihin. Nykyiset CML-ratkaisut kuitenkin vaativat korkean käyttöjännitteen ja kuluttavat suuria virtoja, mikä heikentää energiatehokkuutta. Esimerkiksi modulointivirta IMod vedetään aina korkeaan jännitteeseen, mikä aiheuttaa huomattavaa hukkaenergiaa etenkin, kun käytetään feed-forward equalization -toimintoja.

Push-pull-tyyppiset VM-ajurit ovat vähentäneet hukkaenergiaa poistamalla dummy-virran ja korvaamalla kuormavastuksen kytkettävällä virransyötöllä, mutta ne eivät vielä täysin ratkaise energiatehokkuusongelmia, sillä nollatilan virrat hukkaantuvat edelleen maahan. Lisäksi nämä ratkaisut eivät ole täysin jännitetilaisia, vaan niillä on vielä korkea lähtöimpedanssi.

Todellinen jännitetilainen VCSEL-ajuri toimii vaihtamalla VCSEL joko virtalähteeseen (VDD) tai säädeltyyn jännitteeseen (VRef), hyödyntäen VCSELin virta-jännite-käyttäytymistä. Tämä mahdollistaa koko lähtövirran kulkemisen VCSELin läpi ilman turhia hukka- eli crowbar-virtoja, ja käyttöjännitettä ei tarvitse nostaa korkealle. Tämä lähestymistapa maksimoi energiatehokkuuden ja mahdollistaa jopa 60 Gbit/s virheettömän tiedonsiirron.

Jännitetilaisen rakenteen haasteena on feed-forward equalizationin vaikea toteutus, koska virtojen summaaminen ei ole suoraa. Tämän voi korvata lisäreferenssijännitteillä ja digitaalilogikalla, joka estää kytkimien yhtäaikaisen sulkeutumisen. Toisaalta NRZ-modulaatiolla päästään jo ilman equalizationia 50 Gbit/s nopeuteen, koska VCSELin ei-lineaarinen taajuusvaste vaikuttaa vähemmän kuin monitasoisissa modulaatioissa (PAM-4). Lisäksi VCSELin jännitesyötön hienosäätö on vaativaa, mutta ei merkittävästi vaikeampaa kuin muissa ajurityypeissä.

Ymmärtäminen siitä, että VCSEL-ajurin kokonaistehokkuus ei riipu ainoastaan itse laserin ominaisuuksista, vaan erityisesti ajurin arkkitehtuurista ja sen kyvystä minimoida hukkaenergiaa, on ratkaisevaa. Energiatehokkuuden parantaminen edellyttää kokonaisvaltaista lähestymistapaa, jossa transistorien mitoittaminen, back-gate-biasin hienosäätö ja sopiva kytkentätopologia muodostavat yhtenäisen järjestelmän. Lisäksi optisen kanavan kapasiteettia voidaan kasvattaa hyödyntämällä aallonpituusjakotekniikoita, kuten SWDM, mikä lisää datansiirron tehokkuutta ilman merkittäviä lisäkustannuksia.

Kuinka varmistetaan MOSFET-transistorien vakaus ja suorituskyky erittäin laajalla lämpötila-alueella?

Erittäin laajalla lämpötila-alueella, välillä −250 °C – +125 °C, toimivien MOSFET-transistorien vakaus ja suorituskyky on haaste, jota voidaan hallita käyttämällä taustaporttijännitteen säätöpiiriä, joka mahdollistaa vakaan virrantiheyden ohjauksen. Tämä säätöpiiri takaa, että MOSFET:n V_DS pysyy tarkasti 0,4 V:ssa kaikissa lämpötiloissa ja virrantiheyksissä, mikä mahdollistaa transistorien toiminnan optimaalisesti eri olosuhteissa. Tämän ansiosta differenssiparin toimintapiste säilyy stabiilina, ja lähtöaaltomuodot pysyvät kauniisti keskitettyinä, mikä on elintärkeää esimerkiksi matalanopeuksisissa signaaleissa.

Simulaatiot osoittavat, että transistorien takaporttijännitteiden automaattinen säätö mahdollistaa luotettavan toiminnan kaikilla tarkastelluilla lämpötiloilla. Lisäksi transiittisissä kohinasimulaatioissa havaitaan, että lähtöaallon amplitudi kasvaa lämpötilan laskiessa, mikä on yhteydessä vahvistuskerroin Av:n käyttäytymiseen. Tämä on merkittävää, sillä kohinan väheneminen matalissa lämpötiloissa parantaa signaalin luotettavuutta, mikä on erityisen tärkeää kvanttilaskennan lukuasteikolla toimivissa vahvistimissa.

Kryogeeniset, hyvin pienen kokoluokan jännitevahvistimet ovat keskeisiä kvanttiprosessoreiden lukupolun signaalin vahvistuksessa. Integroitaessa miljoonia spin-tyyppisiä kvanttipiirejä samaan siruun, vaatimukset lämmöntuoton ja tehonkulutuksen suhteen ovat äärimmäisen tiukat. Näiden vahvistimien tehonkulutus tulee pysyä noin yhden mikrowatin tasolla, jotta ne mahtuvat nestemäisen heliumin jäähdytysjärjestelmän rajoituksiin. Näin ollen transistorien mitoitus ja toimintapiste on suunniteltava äärimmäisen huolellisesti, ja käyttö subthreshold-alueella hyvin alhaisilla virrantiheyksillä (1 μA/μm) osoittautuu tehokkaaksi ratkaisuksi. Tällainen suunnittelu mahdollistaa vahvistimet, joilla on riittävä 20 dB vahvistus ja riittävän alhainen kohina 1 GHz taajuudella sekä pieni tehonkulutus.

CMOS-logic-piirien suorituskyky perustuu vahvasti MOSFET:n transkonduktanssiin (gm) ja virrantiheyteen (ION), jotka molemmat voidaan optimoida säätämällä taustaportin jännitettä. Tämä mahdollistaa kytkentänopeuden hallinnan ilman, että käyttöjännite VDD:ta tarvitsee muuttaa. Erityisesti FDSOI-teknologiassa p- ja n-MOSFETien leveys-suhteita optimoidaan vastaamaan niiden liikkuvuuksia ja transkonduktansseja, ja nämä suhteet muuttuvat matalissa lämpötiloissa. Erityisesti 2 K:n lämpötilassa n-MOSFETien liikkuvuuden ja suorituskyvyn parannukset ovat suuremmat kuin p-MOSFETien, mikä edellyttää p-MOSFETien leveyden kasvattamista optimaalisen toiminnan varmistamiseksi.

Taustaporttijännitteen vaikutus MOSFET-kytkinten pääominaisuuksiin näkyy selvästi. On-resistanssi (Ron) ja kytkentäaikavakio (τ_sw) paranevat taustaportin etujännitteellä ilman, että off-kapasitanssi (C_off) juuri muuttuu. Tämä parantaa kytkinten suorituskykyä erityisesti nopeissa näytteistys- ja muunnossovelluksissa, joissa kytkin toimii triode-tilassa erittäin pienellä V_DS-jännitteellä.

On tärkeää ymmärtää, että MOSFET-teknologioiden hyödyntäminen erittäin matalissa lämpötiloissa ei ole pelkästään komponenttien toiminnan säilyttämistä, vaan myös niiden suorituskyvyn ja energiatehokkuuden parantamista. Tämän tavoitteen saavuttaminen vaatii hienovaraisia säätömekanismeja kuten taustaporttijännitteen dynaamista hallintaa, transistorien mitoituksen optimointia eri lämpötiloille ja lämpötilariippuvuuden huomioimista suunnittelussa. Näiden yhdistelmä mahdollistaa luotettavat ja tehokkaat kvanttitietokoneiden lukupolun ja muiden kryogeenisten sovellusten käyttöjärjestelmät.

Miten biasvirran tiheys ja lämpötila vaikuttavat CMOS-komponenttien suorituskykyyn ja kohinaan?

Transienteissa kohinasimulaatioissa havaitaan, että lähtöaaltomuodot pysyvät keskitettyinä vakaan DC-tason ympärillä lämpötilasta ja virrantiheydestä riippumatta. Tämä osoittaa bias-piirin toiminnan robustiuden eri käyttöolosuhteissa. CMOS-logiikan kytkentäenergian mittaukset useissa teknologioissa paljastavat, että matalissa lämpötiloissa energiatehokkuus paranee merkittävästi transistorien virta- ja kapasitanssimittausten perusteella. Tämä puolestaan mahdollistaa erittäin nopeiden ja samalla vähävirtaisten kytkentöjen toteutuksen, mikä on kriittistä korkean suorituskyvyn sovelluksissa.

FDSOI- ja FinFET-teknologioissa mitatut kytkentäparametrit, kuten Coff (kapasitanssi), Ron (resistanssi) ja niiden yhdistelmä τsw, korostavat transistorien kykyä toimia optimaalisesti laajalla lämpötila-alueella. Näitä ominaisuuksia hyödyntämällä voidaan suunnitella erittäin suorituskykyisiä CMOS-rakenteita, kuten taajuusmodulaattoreita 80 GHz:n taajuuksilla tai sarjakytkettyjä kascode-rakenteita, jotka tarjoavat korkean lineaarisuuden ja pienen kohinan.

Erityisen merkittäviä ovat myös mittaukset, jotka osoittavat, että takaportin jännitteellä voidaan hallita taajuusvakausta ja virrankulutusta, mikä antaa suunnittelijalle lisäkeinoja optimoida piirin suorituskykyä. Korkeataajuuskomponenteissa, kuten 160 GHz:n kaksoistaajuus- ja vahvistinrakenteissa, tätä ohjausta hyödynnetään laajentaen toimintataajuutta ja parantaen kohinasuhdetta.

Lisäksi TIA-ketjut (transimpedanssivahvistimet) ja gain-ohjatut vahvistimet (VGA) demonstroivat, miten vahvistuksen säätö onnistuu muuttuvissa käyttöolosuhteissa, ja miten silmämääräiset mittaukset PAM-4 -signaaleilla osoittavat erinomaisen signaalin ja kohinan erottelukyvyn korkeilla dataspeedeillä. Tämä on olennainen ominaisuus esimerkiksi erittäin nopeissa datansiirtojärjestelmissä ja kvantti-informaation prosessoinnissa.

On tärkeää ymmärtää, että laitteiden suorituskyky ja energiatehokkuus eivät ole pelkästään transistorien materiaalista ja rakenteesta kiinni, vaan niihin vaikuttavat olennaisesti lämpötilan, bias-virran ja takaportin jännitteen säätömahdollisuudet. Näiden parametrien yhteisvaikutus mahdollistaa paitsi toimintavarmuuden äärimmäisissä olosuhteissa myös optimaalisen suorituskyvyn sovelluskohtaisesti. Lisäksi kohinan vähentäminen matalissa lämpötiloissa avaa mahdollisuuksia kvantti- ja korkeataajuisissa sovelluksissa, joissa signaalin eheys on kriittistä.

Endtext