Takaporttipalautteeseen perustuva vahvistinarkkitehtuuri tarjoaa vaihtoehtoisen ja tehokkaan lähestymistavan analogiseen piirisuunnitteluun erityisesti FD-SOI-tekniikassa. Yksi tämän topologian merkittävimmistä eduista on se, että vahvistin voidaan toteuttaa vain yhdellä transistorisormella, toisin kuin etuporttivahvistin, joka vaatii useamman sormen kuormituksen määrittämiseksi. Tämä tekee takaporttivahvistimesta erityisen houkuttelevan tilanteissa, joissa tilankäyttö, tehonkulutus ja valmistuskustannukset ovat kriittisiä.

Hyvin perustellun transistorisuunnittelun yhteydessä takaporttiratkaisu mahdollistaa suurta gm/ID-suhdetta, jolloin saavutetaan korkea siirtokonduktanssi matalalla virrantiheydellä. Takaporttivahvistimen toteutuksessa käytetty kolmois-well-rakenne, jossa PFET sijaitsee P-wellissä ja NFET sen N-wellissä, mahdollistaa parasitisten diodien vaikutuksen minimoimisen. Tämä saavutetaan oikosulkemalla wellit, jolloin vain kapasitiivinen kuormitus jää vaikuttamaan ulostuloon. Koska N-well–substraatti-diodi on käänteisesti polarisoitu, sen vaikutus on käytännössä rajoittunut kapasitanssin lisäykseen – edellyttäen että CL ≫ Cwell, GBW säilyy lähes muuttumattomana.

Simuloidut ja mitatut gain-bandwidth -tuotteet osoittavat selvästi, että hyvin pienissä laitteissa Cwell/Cgg-suhde kasvaa epälineaarisesti johtuen siitä, että wellin reunapituuteen perustuva kapasitanssi ei skaalaudu samassa suhteessa laitteen pinta-alan kanssa. Tällöin Cwell alkaa rajoittaa GBW:ta erityisesti leveysalueella alle 1–2 µm. Tämä korostaa suunnittelijan vastuuta varmistaa, että Cwell ei muodostu rajoittavaksi tekijäksi erityisesti pienikokoisissa analogisissa lohkoissa.

Prototyypin testisirulla, joka on valmistettu 22 nm FD-SOI-prosessilla, käytettiin invertteripohjaista takaporttivahvistinta, joka hyödyntää komplementtista rakennetta parantaen transkonduktanssihyötysuhdetta. Verrattuna pelkkiin etuporttirakenteisiin, tämä arkkitehtuuri saavuttaa kaksinkertaisen gm/ID-suhteen. Prototyypissä on yhteensä 128 vahvistinta, mukaan lukien takaportti- ja etuporttivahvistimet vertailua varten.

Kehyksenä toimii se, että takaporttipalautteessa hyödynnetään pieni-signaalista takaportin transkonduktanssia, mutta samalla se asettaa staattisen body biasin transistoreille. Tämä muuttaa kynnysjännitettä, mutta käytetyssä komplementtisessa invertterirakenteessa NFET kokee etubiasoinnin ja PFET vastakkaisen, mikä käytännössä kumoaa vaikutukset ja säilyttää kokonaistranskonduktanssin lähes muuttumattomana — alle 3 %:n sisällä alkuarvosta.

Mitattujen tulosten perusteella vahvistuksen arvot vaihtelivat 19.0 dB:stä 21.9 dB:iin, kun kanavapituutta kasvatettiin 40–1000 µm. Lineaarisuus parani samassa suhteessa, mikä viittaa intrinsisen vahvistuksen ja silmukkavahvistuksen kasvun vaikutuksiin. Tämä yhteys havaittiin johdonmukaisesti sekä simuloinneissa että mittauksissa. Lisäksi vahvistuksen epäsymmetrisyys (CV) oli takaporttivahvistimissa suurempi kuin simuloitu – jopa kymmenkertainen – mikä viittaa siihen, että tuotantoprosessin γ-mismatch ei ole mukana foundryn malleissa. Tämä havainto vahvistetaan mittaustuloksista, joissa CV on lähes vakio eri syöttöjännitteillä.

Toisaalta, vaikka absoluuttinen CV on suurempi kuin simuloitu, takaporttivahvistimen epäsymmetrisyys on jopa kymmenen kertaa pienempi kuin etuporttivahvistimella, jonka pieni diodiin kytketty kuormalaitteisto rajoittaa suorituskykyä. Tämä tuo esiin takaporttirakenteen merkittävän potentiaalin suuremman yhteensopivuuden ja toistettavuuden kannalta.

Takaporttivahvistimen lineaarisuus säilyy suhteellisen vakaana koko mitatulla syöttöjännitealueella, ja vasta hyvin matalissa jännitteissä havaitaan merkittävä lasku, mikä viittaa laitteen syöttöpisteen vaikutukseen toimintakuntoon. Tämä vakaa käyttäytyminen korostaa takaporttirakenteen luotettavuutta pienillä tehonkäytöillä ja mahdollistaa käytön matalatehoisissa ja skaalautuvissa analogisissa järjestelmissä.

On tärkeää ymmärtää, että vaikka takaporttipohjainen rakenne tarjoaa selviä hyötyjä etuporttirakenteeseen verrattuna — kuten kompaktimpi koko, pienempi tehonkulutus ja suurempi gm/ID-suhde — se edellyttää tarkkaa mallinnusta ja mittausta erityisesti mismatch-ilmiöiden suhteen. FD-SOI-teknologian erityispiirteet, kuten hallittavissa oleva body biasointi ja matalat parasitit, tarjoavat otollisen ympäristön tämän tyyppisten arkkitehtuurien hyödyntämiselle, mutta suunnittelijan on huomioitava mallien rajoitukset ja validointimenetelmien merkitys. Ilman asianmukaista kalibrointia ja lisämittausta kriittisissä kohdissa, kuten γ-mismatchin vaikutuksen arvioinnissa, lopullisen suorituskyvyn ja toistettavuuden saavuttaminen voi vaarantua.

Miten n-MOSFET:n suorituskyky muuttuu eri lämpötiloissa ja miksi se on tärkeää

n-MOSFET-transistorien ominaisuudet, erityisesti lyhyen kanavan laitteissa, osoittavat merkittäviä riippuvuuksia lämpötilasta ja taustaporttijännitteestä (V_BG). Tutkimukset osoittavat, että virrantiheys J_p,Av pysyy suunnilleen vakiona noin 0,1 mA/μm:n tasolla huoneenlämmössä (300 K) sekä n- että p-MOSFETeilla, mikä tarkoittaa, että piirikytkentöjen suunnittelu, joka perustuu vakioon virrantiheyteen, mahdollistaa optimaalisen jännitevahvistuksen saavutettavuuden, vaikka kynnysjännite vaihteleekin. Erityisen huomionarvoista on se, että p-tyyppisten MOSFETien virrantiheys on hieman pienempi kuin n-tyyppisten, mikä korreloi elektronien ja aukkojen liikkuvuuden suhteeseen laitteissa.

Lämpötilan laskiessa 300 K:sta 2 K:seen n-MOSFETin AV-virrantiheys kasvaa merkittävästi noin 0,1 mA/μm:stä 0,3 mA/μm:iin, mutta jännitevahvistuksen huippuarvo puolestaan laskee noin 10 %. Tämä viittaa siihen, että operaatiovahvistimien suunnittelua tulee optimoida erilailla matalissa lämpötiloissa kuin huoneenlämmössä.

Korkean taajuuden suorituskyvyn mittareita, kuten siirtymis- (f_T) ja maksimitaajuuksia (f_MAX), mitattaessa 300 K:ssa ja 2 K:ssa, havaitaan, että ne eivät muutu virrantiheyden funktiona, vaan pysyvät suhteellisen vakaina. f_T kuitenkin paranee merkittävästi matalassa lämpötilassa: p-MOSFETin siirtymistaajuus kasvaa 180 GHz:stä 255 GHz:iin ja n-MOSFETilla 255 GHz:stä jopa 400 GHz:iin. Tämä johtuu osittain transkonduktanssin (g_m) kasvusta ja portin lähdekapasitanssin (C_gs) pienentymisestä matalissa lämpötiloissa.

Analyysit osoittavat, että transistorin kapasitanssit C_gs ja C_ds käyttäytyvät samalla tavalla kuin g_m, f_T ja f_MAX, niillä on heikko riippuvuus taustaporttijännitteestä ja ne ovat suhteellisen riippumattomia kynnysjännitevaihtelusta. Erityisesti C_gs pienenee merkittävästi 2 K:ssa, mikä osaltaan selittää f_T:n huomattavan parantumisen. Tämä ilmiö on vielä osittain selittämättä, mutta se saattaa liittyä suurempaan inversiokerroksen paksuuteen tai mittausten kalibrointiin liittyviin epävarmuuksiin matalissa lämpötiloissa.

Korkean taajuuden piireissä FDSOI-teknologian MOSFETeilla on ainutlaatuinen kyky toimia kaksilähtöisinä transistoreina, joissa sekä yläporttiin että taustaporttiin voidaan syöttää signaaleja. Vaikka taustaportin transkonduktanssi on noin kymmenen kertaa pienempi kuin yläportin, tämä mahdollistaa erilaisia miksaus- ja ohjaustoimintoja tiiviissä rakenteissa.

On tärkeää ymmärtää, että MOSFETien toimintakyky ei riipu pelkästään niiden DC-parametreista, vaan myös lämpötilariippuvaisista taajuusominaisuuksista ja kapasitansseista, jotka vaikuttavat suorituskykyyn monimutkaisissa korkeataajuisissa sovelluksissa. Laitteiden suunnittelussa matalissa lämpötiloissa tulee ottaa huomioon paitsi parametriarvojen muutokset, myös niihin liittyvät epävarmuudet ja kalibrointiongelmat, joita kaupalliset simulaatiotyökalut eivät aina kykene kattavasti mallintamaan.

Lopuksi, vaikka kynnysjännitteen vaihtelu ja taustaportin jännite tarjoavat välineitä transistorin käyttäytymisen säätelyyn, optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi on ymmärrettävä koko laitteiston ja sen ympäristön vaikutukset, kuten resistanssit, kapasitanssit ja lämpötilan vaikutukset. Tämä kokonaisvaltainen ymmärrys mahdollistaa edistyneiden analogisten ja korkeataajuisten piirikomponenttien suunnittelun, jotka toimivat luotettavasti laajalla lämpötila-alueella ja erilaisissa käyttöolosuhteissa.

Miten vanhempien reaktiot vaikuttavat lasten käyttäytymiseen?
Miten fotoniikka ja optoelektroniikka muokkaavat teollisuuden tulevaisuutta Industry 5.0:ssa?
Miten valmistaa maukkaita ja nopeita aterioita kotona – vinkkejä ja reseptejä
Miten analysoida pyöräilymatkojen etäisyyksiä ja käyttäjätietoja: Käytännön esimerkki