FDSOI CMOS -teknologian kokonaan kuorittu eristetty oksidikerros (BOX) erottaa transistorin lähdön ja lähteen piialustasta, mikä poistaa epälineaarisen liitoskapasitanssin ja mahdollistaa joustavat piirin hyvinrakenteet, kuten flipped-well -rakenteen. Tämä rakenne mahdollistaa esimerkiksi positiivisen bulk-source-jännitteen (VBS) turvallisen soveltamisen nMOS-transistorin ja nWellin välillä, jolloin kynnysjännite laskee merkittävästi (noin 140 mV), mikä parantaa transistorin toiminnallista suorituskykyä. P-mos-transistorille flipped-well -rakenteessa vastaava bulk-säätö tapahtuu negatiivisella jännitteellä, jolloin vaikutus kynnysjännitteeseen on samankaltainen. Bulk-jännitteen vaikutus kynnysjännitteeseen on vahva ja herkkä säätöparametri, joka auttaa hallitsemaan prosessivaihteluita ja parantaa analogisten sekä sekasignaalipiirien suorituskykyä.

Bulk-lähtö toimii kuitenkin myös analogisena tuloa ohjaavana tekijänä bulk-source-transkonduktanssin (gmBS) kautta, jolloin se tarjoaa uusia mahdollisuuksia takaisinkytkennän hyödyntämiseen vahvistimissa. Tätä ominaisuutta on hyödynnetty eri sovelluksissa, kuten lineaarisuuden parantamisessa, feedforward- ja feedback-rakenteissa, itsehäiriön vaimennuksessa ja yleisenä vahvistuksen linearisoinnin välineenä.

Tässä yhteydessä esitellään uusi takaisinkytkentätekniikka, joka hyödyntää back-gate- eli bulk-tason transkonduktanssia vahvistuksen ja lähtöimpedanssin merkittävään parantamiseen inverteripohjaisissa OTA-vahvistimissa. Perusperiaatteena on liittää transistorin bulk-nasta sen lähdön kautta vahvistuskerroin Ab:n avulla, jolloin bulk-transkonduktanssin gmBS avulla saadaan kompensoitua lähde-draivervastus rDS:n aiheuttamaa vaihtovirtaa. Tämä aiheuttaa lähtöimpedanssin rOUT suurenemisen jopa satojen kilo-ohmien tasolle, mikä kasvattaa vahvistimen pientason vahvistusta ja parantaa sen suorituskykyä merkittävästi.

Optimaalinen vahvistuskerroin Ab,OPT määritellään niin, että lähtöimpedanssi lähestyy ääretöntä, mutta käytännössä tämän pisteen saavuttaminen prosessi-, jännite- ja lämpötilavaihteluiden vuoksi on haastavaa. Sen sijaan tavoitteena on huomattava parannus lähtöimpedanssissa ja vahvistuksessa, mikä toteutuu käytännössä hyvin pienen negatiivisen takaisinkytkennän avulla. Simuloinnit eri transistoripituuksilla (esim. 20 nm ja 40 nm) osoittavat, että pienemmällä kanavanpituudella tarvitaan suurempi vahvistuskerroin, kun taas pidemmällä kanavalla lähtövastus on jo itsessään suurempi, jolloin pienempi negatiivinen takaisinkytkentä riittää.

Tämän menetelmän soveltaminen käytännön OTA-vahvistimeen sisältää flipped-well nMOS- ja regular-well pMOS -transistorit samassa hyvinrakenteessa. Negatiivinen takaisinkytkentä toteutetaan ristiin kytkemällä vahvistimen vastakkaiset lähdöt bulk-nastoihin. Vahvistuksen säätöalue rajoitetaan alle yhteen (|Ab| < 1), mikä mahdollistaa yksinkertaisen passiivisen resistiivisen jännitejakajan käytön. Tämän säädön toteuttamiseen on kehitetty kaksi-bittinen säädettävä resistanssiverhoilu, joka takaa vahvistuksen vakauttamisen prosessi- ja ympäristömuutoksissa.

Lisäksi järjestelmään sisältyy on-chip-kela-oskillaattori, joka valvoo prosessikulmaa ja säätää takaisinkytkennän vahvistusta automaattisesti eri piirin kulmatilanteissa. Tämä mahdollistaa optimaalisen suorituskyvyn ylläpitämisen laajalla prosessi- ja lämpötilaskaalalla. Käytettävä resistiivinen jännitejakaja on suunniteltu siten, että resistanssisuhde säilyy vakaana myös polyresistanssin vaihteluista huolimatta.

Tällainen back-gate-pohjainen vahvistuksen parannusmenetelmä tarjoaa merkittäviä etuja korkean taajuuden ja matalan virrankulutuksen analogisissa piireissä. Se mahdollistaa laajakaistaisen, lineaarisen ja tehokkaan vahvistuksen toteutuksen CMOS FDSOI -prosesseissa, mikä on kriittistä kehittyvien RF- ja sekasignaalisovellusten, kuten erittäin nopeiden vastaanottimien, toimivuuden kannalta.

On tärkeää ymmärtää, että vaikka bulk-tason käyttö takaisinkytkennässä voi tuntua monimutkaiselta, sen keskeinen arvo on transistorin kynnysjännitteen ja lähtöimpedanssin säätämisessä analogisessa kontekstissa. Tämä antaa suunnittelijoille työkalun hallita transistorien epälineaarisuutta ja parantaa vahvistuksen suorituskykyä entistä hienovaraisemmin kuin pelkän transistorin portin ohjauksen avulla. Lisäksi takaisinkytkentä perustuu dynaamiseen toimintaan, joten sen optimointi vaatii huolellista simulointia ja soveltuvien vahvistuskertoimien valintaa, jotka ovat riippuvaisia kanavan pituudesta ja prosessiolosuhteista. Tämä lähestymistapa korostaa FDSOI-teknologian potentiaalia analogisten vahvistimien suunnittelussa ja tuo uusia mahdollisuuksia tulevaisuuden monimutkaisiin sekasignaalijärjestelmiin.

Miten prosessivariaatiot vaikuttavat FDSOI MOSFET -transistorien ominaisuuksiin ja suorituskykyyn?

Prosessivariaatiot ovat keskeinen tekijä modernien puolijohdeteknologioiden suorituskyvyn ja luotettavuuden kannalta. Erityisesti FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) MOSFET -transistorien käyttäytyminen on herkistynyt pienillekin muutoksille valmistusprosessissa. Näiden transistorien toiminnalliseen varianssiin vaikuttavat muun muassa kynnysjännite, kanavan pituus ja leveys, taustaportin jännite sekä oheisparasiittiset kapasitanssit, kuten nWell-kapasitanssi.

FDSOI-teknologiassa transistorien kanava on ohut ja erotettu eristävällä kerroksella, mikä tarjoaa erinomaisen kontrollin virranohjauksessa. Tämä mahdollistaa kytkentäominaisuuksien ja vasteen säätämisen taustaportin jännitteellä (back-gate voltage, VBG). Simulaatio- ja mittaustulokset osoittavat, että taustaportin vahvistuksen (Ab) vaihtelu vaikuttaa suoraan avoimen silmukan vahvistukseen ja tulosimpedanssiin. Prosessivariaatioiden vaikutus voi ilmetä erilaisten transistorien hitaus- tai nopeusprofiileina, jotka vaikuttavat signaalin säröihin (IM3) ja signaali-kohinasuhteeseen (SNDR). Näiden parametrien hallinta on olennaista erityisesti analogisissa ja mixed-signal -piireissä, joissa lineaarisuus ja kohinan minimointi ovat kriittisiä.

Mittaukset eri prosessikulmissa (typical, slow, fast) paljastavat, että transistorien ominaisuudet vaihtelevat merkittävästi jopa saman piirilevyn sisällä. Tämä vaatii suunnittelijoilta tarkkaa parametrien optimointia sekä kompensointitekniikoita, esimerkiksi inverteripohjaisia OTA (Operational Transconductance Amplifier) -rakenteita, joissa taustaporttivahvistuksen säätö toimii suorituskyvyn parantajana.

Lisäksi FDSOI-teknologian vahvuus ilmenee sen soveltuvuudessa erittäin matalien lämpötilojen olosuhteisiin, kuten alle 70 K, missä kvanttivaikutukset transistorikanavissa alkavat näkyä. Tällöin transistorien siirtymiskäyttäytyminen poikkeaa merkittävästi normaalista, mikä asettaa lisävaatimuksia suunnittelulle ja simulointimalleille. Kvanttipisteiden muodostuminen MOSFET-kanavissa vaikuttaa erityisesti subthreshold-alueen toimintaan ja voi aiheuttaa epälineaarisuutta.

Nykyiset tutkimukset keskittyvät myös komponenttien sähkömekaanisen rakenteen optimointiin, kuten kanavan pituuden ja leveysmitoitukseen sekä oheisparasiittisten elementtien vähentämiseen, mikä näkyy esimerkiksi transistorien lähtöimpedanssin hallinnassa. Tämä on tärkeää korkean taajuuden sovelluksissa, joissa pienetkin kapasitanssit voivat heikentää signaalin laatua.

Mittaukset ja simulaatiot eri lämpötiloissa, käyttöjännitteen vaihteluissa ja taustaportin jännitteissä auttavat hahmottamaan transistorien toiminnan kokonaiskuvaa ja mahdollistavat luotettavampien ja suorituskykyisempien piirien kehittämisen. Tämä vaatii ymmärrystä sekä mikroskooppisista kvanttimekaanisista ilmiöistä että makrotason prosessivariaatioiden vaikutuksista.

Olennainen seikka on, että prosessivariaatioiden hallinta ei rajoitu pelkästään transistorin yksittäisiin ominaisuuksiin, vaan sen vaikutukset ulottuvat koko piirin käyttäytymiseen, kuten vahvistuksen stabiilisuuteen, kohinasuhteeseen ja lämpötilan kestävyyskykyyn. Suunnittelijoiden on huomioitava tämä kokonaisvaltainen näkökulma, jotta piirien toiminta pysyy vakaana ja ennustettavana erilaisissa olosuhteissa.

Vaikka nykytutkimus tarjoaa laajat mittaus- ja simulointityökalut, käytännössä prosessivariaatioiden aiheuttama epävarmuus edellyttää usein erilaisten kompensointimenetelmien soveltamista sekä piiritason että järjestelmätason ratkaisuissa. Tällaisia voivat olla esimerkiksi dynaaminen virranhallinta, adaptatiiviset vahvistinsäätömekanismit ja lämpötilan kompensointitekniikat. Näiden avulla voidaan varmistaa, että lopputuote täyttää sille asetetut suorituskykyvaatimukset myös haastavissa toimintaympäristöissä.

Miten back-gate -jännite ohjaa vahvistinta ja parantaa suorituskykyä millimetriaaltoalueella?

Transistoreiden kynnysjännite (Vth) voidaan hienosäätää takaportin (back-gate) jännitteen avulla, mikä vaikuttaa suoraan vahvistimen transkonduktanssiin (gm) ja siten myös vahvistukseen. Kun vahvistimen aktiiviset komponentit asetetaan kiinteälle toimintapisteelle, Vth:n riippuvuutta voidaan hyödyntää säätämään gm:ää ja siten ohjata vahvistusastetta. Tämä mahdollistaa vahvistuksen hienosäädön ilman merkittäviä häiriöitä muille järjestelmän parametreille.

Esimerkiksi 22 nm FDSOI-teknologialla toteutetussa D-kaistan (110–170 GHz) vahvistimessa takaportin jännitettä (Vbg) muuttamalla voidaan ohjata vahvistus noin 5 dB:n alueella. Toisen ja kolmannen vahvistinvaiheen käyttöjännite (Vbias) on tässä tarkoituksessa optimoitu alemmaksi, jolloin saadaan laajempi säädettävä alue, kun taas ensimmäinen ja neljäs vaihe pidetään vakaina, jotta saavutetaan tasainen kokonaisvahvistus. Jännite asetetaan aluksi suoraan ulkopuolelta, mutta lopullisessa ratkaisussa se generoidaan virrapeilipiirin kautta, mikä parantaa järjestelmän luotettavuutta prosessi-, jännite- ja lämpötilavaihtelujen suhteen.

Mittaukset osoittavat, että säädettävä vahvistus ei merkittävästi vaikuta 3 dB:n kaistanleveyteen, joka pysyy noin 11 GHz:n tasolla. Lisäksi pienoisnopeusparametrit (S-parameterit) pysyvät suhteellisen muuttumattomina, vaikka vahvistusta säädetään. Tämä tarkoittaa, että vahvistuksen ohjaus ei aiheuta häiritseviä heijastuksia tai signaalin vuotoja, jotka voisivat heikentää järjestelmän suorituskykyä.

Vahvistuksen pienentyessä takaportin jännitettä pienentämällä havaitaan, että tulosignaalin kimmopiste (input 1 dB compression point, IP1dB) paranee eli vahvistin toimii lineaarisemmin kovemmilla sisääntulosignaaleilla. Samanaikaisesti lähtösignaalin kimmopiste (output 1 dB compression point, OP1dB) pysyy lähes muuttumattomana, mikä viittaa siihen, että vahvistuksen säätö vähentää vahvistimen epälineaarisuutta. Tämä on tärkeää korkean suorituskyvyn järjestelmissä, joissa signaalin laatu ja säröytymisen hallinta ovat kriittisiä.

Kohinakerroin (Noise Figure, NF) mitataan kylmälähde-menetelmällä, joka parantaa mittausten tarkkuutta erityisesti D-kaistalla, jossa mittauserot voivat olla suuria johtuen S-parametrien epätäydellisestä sovituksesta. Mittaustulokset osoittavat, että kohinakerroin säilyy matalana suurimmalla vahvistuksella (~7.9 dB) ja kasvaa vain maltillisesti (~9.5 dB) pienimmällä vahvistuksella, mikä tarkoittaa, että säädön vaikutus kohinaan on hallittu. Yksittäisten vahvistinvaiheiden simulaatiot vahvistavat tämän tuloksen ja paljastavat, että kokonaiskohinakerroin muodostuu kunkin vaiheen vaikutuksesta.

Vahvistuksen säädön yhteydessä myös tehonkulutus muuttuu. Kun toinen ja kolmas vaiheiden toimintapisteitä lasketaan, kokonaistehonkulutus pienenee jopa 36 % suurimmasta vahvistuksesta pienimpään, mikä avaa mahdollisuuden käyttää tätä tilaa esimerkiksi virransäästö- tai lepotilassa. Tämä on merkittävä etu sulautettujen järjestelmien energiatehokkuudelle, erityisesti korkeataajuuksisissa sovelluksissa, joissa tehonkulutus voi olla rajoittava tekijä.

Yleisesti ottaen back-gate -biasoinnin hyödyntäminen vahvistuksen säätöön tarjoaa joustavan ja tehokkaan tavan hallita vahvistimen suorituskykyä mm-aaltoalueella. Tämä teknologia on erityisen arvokas sovelluksissa, joissa vaaditaan tarkkaa signaalin käsittelyä, kuten 6G-verkkojen vastaanottimissa ja muissa korkeataajuisissa langattomissa järjestelmissä.

On tärkeää ymmärtää, että tämän kaltaisen vahvistuksen ohjauksen implementointi vaatii huolellista suunnittelua virrapeilipiirien ja muiden säätökomponenttien osalta, jotta järjestelmä säilyttää vakauden eri käyttöolosuhteissa. Lisäksi lämpötilan, prosessin ja jännitevaihteluiden vaikutukset on otettava huomioon, jotta vahvistuksen säätö on tarkkaa ja toistettavaa. Signaalin lineaarisuuden parantaminen vahvistuksen ohjauksella voi myös mahdollistaa kehittyneempien modulaatiotekniikoiden käytön, mikä lisää langattomien järjestelmien kapasiteettia ja suorituskykyä.

Miten voimme estää haittaa ohjelmistojen suunnittelussa ja käytössä?
Onko tekoälyn kehitys vaarassa johtaa tuhoon?
Miten yhdistää dplyr-funktioita tehokkaasti datan käsittelyssä?
Miten saavutukset ja projektit vaikuttavat työhaastattelussa?