Sarja-kaskadoidun rakenteen hyödyntäminen CMOS-tehovahvistimissa ja optisissa modulaattoriajureissa perustuu syvään ymmärrykseen impedanssisovituksesta, jänniteheilunnan maksimoimisesta ja lämpötilariippumattomasta käyttäytymisestä. Erityisesti FDSOI-teknologia mahdollistaa takaporttijännitteen säätämisen tarkasti, mikä antaa suunnittelijalle välineet optimoida suorituskyky eri toimintaluokissa (A, AB, B, F) ja laajalla lämpötila-alueella.

Kun MOSFETien lähteisiin liitetään induktanssia, portille syntyy positiivinen resistanssi, mikä on hyödyllistä alataajuuksilla. Samankaltainen vaikutus saadaan aikaan kapasitiivisella kuormituksella — sijoittamalla kondensaattori portin ja maan väliin luodaan positiivinen resistanssi lähde- ja tyhjennysterminaaleihin. Tämä lähestymistapa on laajalti käytetty InP HBT- ja CMOS-tehovahvistimissa millimetrialueella (mm-aallot), joissa on vältetty häviöllisiä sovitusverkkoja. Kun kondensaattori korvataan säädettävällä FDSOI-varaktorilla, saadaan porttien ja takaporttien avulla säädettävät sisään- ja ulostuloadmittanssit, joita voidaan kuvata seuraavasti:

Yin ≈ gm + jωCgs / (1 + Cgs / Cvar)
Yout ≈ go + jω(Cgd + Cdb) / (1 + Cgd / Cvar)

Näiden kaavojen avulla voidaan suunnitella kaskadoitu rakenne, jossa hyödynnetään ohuen oksidin nopeita, matalajännitteisiä MOSFETeja, jolloin syntyy keinotekoisesti suuri jänniteheilunta ilman, että tarvitsee käyttää suuria jännitteitä yksittäisillä transistoreilla. Tämä on keskeistä moderneissa 28 nm tai 22 nm FDSOI-teknologioissa, joissa transistorien kynnysjännite ja läpilyöntijännite rajoittavat yksittäisten laitteiden sallitun swingin.

Jotta usean transistorin kaskadi toimisi tehokkaasti, gate-maadoituskapasitanssit täytyy mitoittaa huolellisesti. Laskemalla säilytyslain kautta saadaan kaava:

CGn,i = Cgsn,i + 3Cgdn,i / (2i − 3)

Tässä i on transistorin järjestysnumero lähde-kaskadin alusta alkaen. Näin varmistetaan, että ulostulojännite muodostuu sarjassa yksittäisten transistorien swingin summana. Oikea kapasitiivinen dimensiointi on kriittistä tehokkuuden ja lineaarisuuden kannalta.

Käytännön suunnittelu 28 GHz:n tehovahvistimelle osoittaa, että kolmen transistorin stack on optimaalinen kompromissi jänniteheilunnan, tehokkuuden ja transistoreiden mitoituksen välillä. Yhdelle puolelle tarvitaan 17 dBm (50 mW) tehoa, mikä vastaa IMAX ≈ 82 mA virtaa transistoriketjussa. Tällöin transistorien leveys W = IMAX / JMAX = 82 μm olettaen JMAX = 1 mA/μm. Vastaava differentiaalinen ulostuloresistanssi on noin 75 ohmia, ja tehon kulutus DC-tasolla on noin 125 mW. Käytännössä transistorien on oltava hieman suurempia (noin 101 μm), jotta kompensoidaan sarjavastus (Ron), joka laskee tehokkuutta.

Back-gate-jännitteiden säätäminen mahdollistaa kunkin transistorin optimoinnin lineaarisuuden, ulostulotehon ja tehonmuuntotehokkuuden (PAE) suhteen. Esimerkiksi VDSi asetetaan tyypillisesti 0.8 V:iin, ja back-gate-jännitteet porrastetaan seuraavasti: VBG1 = VBGi + (i − 1)∗0.8 V. Tämä portaittainen jänniteprofiili varmistaa tasaisen biasoinnin koko stackin läpi.

Mittauksilla on osoitettu, että tällainen porttipohjainen kaskadirakenne, yhdistettynä varaktorisäätöön, mahdollistaa erittäin lineaarisen vasteen, suuren swingin sekä korkean tehokkuuden jopa D-kaistalla. Tämä on erityisen merkittävää silloin, kun suunnitellaan optisia modulaattoriajureita tai radiotaajuisten signaalien tehovahvistimia, joissa suuri jänniteheilunta yhdistettynä alhaiseen säröön on välttämätön.

Lisäksi, oikeanlainen harmonisten komponenttien päättely (esimerkiksi kolmen ensimmäisen harmonisen päättely class-F:ssa) on ratkaisevaa maksimaalisen tehokkuuden saavuttamiseksi. Tämä korostaa tarkkaa sovitussuunnittelua sekä taajuusvastemittausten ja simulaatioiden merkitystä.

Kokonaisuutena voidaan todeta, että sarja-kaskadoitu FDSOI-arkkitehtuuri tarjoaa tehokkaan keinon maksimoida RF-komponenttien suorituskyky erityisesti millimetriaalloilla, edellyttäen kuitenkin syvää ymmärrystä impedanssisovituksesta, kapasitiivisesta kuormituksesta ja lämpötilariippuvaisesta biasoinnista.

On tärkeää, että suunnittelija ymmärtää dynamiikan eri toimintaluokkien välillä (A, AB, B, F), sekä kuinka transistorien mitoitus, gate-kapasitanssit ja biasointijännitteet vaikuttavat tehokkuuteen, säröön ja ulostulotehoon. Lisäksi on olennaista huomioida sarjavastuksien aiheuttamat jännitehäviöt ja niiden vaikutus lopulliseen hyötysuhteeseen. Kun tavoitteena on korkean suorituskyvyn RF-rakenne, jokainen suunnitteluratkaisu – olipa se kapasitiivinen kuormitus, varaktorisäätö tai stackin pituus – tulee tehdä mittausdatan ja fyysisten rajoitteiden perusteella, ei ainoastaan ideaaliteorioiden varassa.

Kuinka parantaa monibittisen virranohjausdac:n lineaarisuutta takaportin linearisointitekniikalla?

Monibittisten digitaalisten-analogisten muuntimien (DAC) lineaarisuuden varmistaminen on keskeistä tarkkuusvaatimuksia asettavissa sovelluksissa, kuten CT Sigma-Delta -modulaattoreissa. Prosessivariaatiot aiheuttavat DAC-yksikköpainojen vaihtelua, mikä johtaa sekä satunnaisiin että systemaattisiin virheisiin ja lopulta epälineaarisuuteen muuntimen siirtofunktiossa. Tämä epälineaarisuus heijastuu suoraan modulaattorin sisääntuloon, heikentäen koko signaalinkäsittelyjärjestelmän tarkkuutta ja luotettavuutta. Thermometarikoodatussa DAC-rakenteessa, jossa koodaus minimoi siirtymäkohtien virhelähteet, pienimmät merkitykselliset bitit vaihtuvat tiheästi ja vaativat tarkkaa painojen sovitusta.

DAC:n lineaarisuuden varmistaminen edellyttää, että jokaisen yksikköpainon tuottama virta vastaa tarkasti yhteistä referenssivirtaa. Epälineaarisuus johtuu nimenomaan yksittäisten painojen poikkeamista tästä referenssistä, ei absoluuttisesta referenssivirran arvosta. Näin ollen virheiden korjaus voidaan nähdä yksikkövirtojen suhteellisten poikkeamien kompensointina. Tämä on elintärkeää etenkin korkean tarkkuuden sovelluksissa, joissa pienet poikkeamat voivat aiheuttaa merkittäviä vääristymiä.

Esitelty ratkaisu perustuu aktiiviseen takaportin (body-bias) linearisointitekniikkaan, jossa jokaiselle DAC:n yksikköpainolle lisätään apu-DAC (AUXDAC) säätämään painoa erikseen. Tämä mahdollistaa staattisten virheiden kalibroinnin ja yksittäisten painojen hienosäädön. Thermometarikoodatun DAC:n yksikköelementtinä toimii push-pull-rakenteinen pari, jossa pMOS- ja nMOS-transistorit on kytketty vastakkain. Nämä nMOS-transistorit sijoitetaan erilliseen nWell-alueeseen, mikä mahdollistaa kunkin yksikön takaportin jännitteen tarkan ohjauksen.

AUXDAC on sähköisesti erotettu pää-DAC:n ulostulonapeista, mikä estää parasitiivisia vaikutuksia päämuuntimen dynaamiseen suorituskykyyn tai suljetun silmukan integraattorin vakauteen. Se tuottaa vakiojänniteulostulon, joka asetetaan joko aluksi tai päivittyy virheen kalibroinnin yhteydessä. Tällä lähestymistavalla saavutetaan optimoitu tehonkulutus yhdistettynä lineaarisuuden parantamiseen, mikä on erityisen arvokasta nykyaikaisissa pienitehoisissa ja korkean suorituskyvyn järjestelmissä.

Linearisointimenetelmä vähentää merkittävästi yksittäisten DAC-yksikköjen painojen hajontaa, minkä seurauksena DAC:n kokonaislineaarisuus vastaa tai jopa ylittää modulaattorin lineaarisuusvaatimukset. Tämä parantaa merkittävästi järjestelmän tarkkuutta ja luotettavuutta etenkin korkean resoluution ja nopean näytteenottotaajuuden olosuhteissa.

Tämän teknologian ymmärtäminen vaatii lukijalta käsityksen analogisten piirikomponenttien toimintaperiaatteista, erityisesti transistorien takaportin vaikutuksesta virran sääntelyyn sekä koodausmenetelmien, kuten thermometarikoodauksen, merkityksestä DAC-suunnittelussa. On olennaista hahmottaa, että lineaarisuus ei ole pelkkä komponenttikohtainen ominaisuus, vaan järjestelmätasolla ratkaiseva tekijä, joka vaikuttaa signaalin eheyttä ja virheettömyyttä vaativissa sovelluksissa.

Lisäksi on tärkeää tiedostaa, että aktiivinen linearisointi perustuu dynaamiseen kalibrointiin, joka voi vaatia toistuvia säätöjaksoja käytön aikana, ja että tällaiset ratkaisut lisäävät suunnittelun kompleksisuutta mutta mahdollistavat huipputason suorituskyvyn. Näin ollen tämänkaltaisten tekniikoiden käyttöönotto edellyttää tasapainottelua suorituskyvyn, tehonkulutuksen ja järjestelmän vakauden välillä.

Miten 22 nm FDSOI MOSFET -transistorien sähköiset ominaisuudet riippuvat takaportin jännitteestä ja lämpötilasta?

22 nm FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) MOSFET -transistorien suorituskykyä määrittävät lukuisat tekijät, joista keskeisimpiä ovat transistorien läpivirtavahvistus (gm), virran suhde vahvistukseen (gm/IDS), sekä taustaportin eli takaportin jännite (VBG) ja lämpötila. Näiden parametrien tarkka mittaaminen ja ymmärtäminen on elintärkeää erityisesti, kun suunnitellaan nykyaikaisia puolijohdelaitteita, jotka toimivat eri lämpötila-alueilla ja joita voidaan ohjata takaportin avulla suorituskyvyn optimointiin.

Mittaukset osoittavat, että gm/W (läpivirtavahvistus suhteessa transistorin leveyteen) ja gm/IDS (läpivirtavahvistus suhteessa läpivirtavirtaan) vaihtelevat merkittävästi takaportin jännitteen ja lämpötilan funktiona. Esimerkiksi p- ja n-kanavaisilla 40 × 20 nm × 590 nm ja 720 nm kokoisilla transistorityypeillä on havaittu, että takaportin jännite vaikuttaa suoraan transistorin kynnysjännitteeseen ja siten läpivirtavahvistukseen eri VGS-arvoilla. VDS-jännitteeksi käytettiin 0,8 V, ja VBG-arvot säädettiin välillä +0,5 V … −4 V, minkä avulla saatiin laaja kuva transistorien toiminnasta.

Lämpötilan vaikutus on yhtä lailla merkittävä. Esimerkiksi 3 nm FinFET-tyyppisten p- ja n-MOSFETien mittauksissa on todettu, että läpivirtavahvistus suhteessa virtaan gm/IDS riippuu selvästi lämpötilasta, mikä heijastuu erityisesti subthreshold-alueen toiminnassa. Tämä johtuu siitä, että kantajien liikkuvuus ja kynnysjännite muuttuvat lämpötilan muuttuessa, vaikuttaen transistorin transkonduktanssiin ja sitä kautta koko piirin suorituskykyyn.

Takaportin jännite (back-gate voltage) tarjoaa tehokkaan keinon säätää transistorin toimintapistettä ja näin optimoida vahvistusta ja nopeutta. Tämä korostuu erityisesti 22 nm FDSOI MOSFETien tapauksessa, joissa gate pitch on kaksinkertainen ja porttikontakti on kahdella puolella. Takaportin jännite voi muuttaa kanavan elektronitiheyttä ja vaikuttaa kapasitansseihin, kuten Cgs (portin ja lähteen välinen kapasitanssi), Cgd (portin ja drainin välinen kapasitanssi) ja Cds (drainin ja lähteen välinen kapasitanssi). Näiden kapasitanssien muutos puolestaan vaikuttaa transistorin taajuusvastaukseen ja nopeuteen.

Frekvenssiominaisuudet, kuten siirtofunktion katkaisu-taajuus fT ja maksimitaajuus fMAX, ovat myös riippuvaisia sekä takaportin jännitteestä että lämpötilasta. Mittaustulokset eri lämpötiloissa (2 K ja 300 K) osoittavat, että transistorien taajuusominaisuudet heikkenevät huomattavasti kylmissä olosuhteissa, mutta takaportin avulla voidaan osittain kompensoida tätä vaikutusta. Tämä on erityisen tärkeää esimerkiksi kvanttilaskennan sovelluksissa, joissa toimintaympäristö voi olla erittäin kylmä.

Kapsiteettien, lämpötilan ja takaportin jännitteen keskinäinen vuorovaikutus on monimutkainen, mutta hallittavissa oleva mekanismi, joka mahdollistaa transistorien suorituskyvyn hienosäädön. Differential stage -piirien simuloinnit osoittavat, että taajuuskaista (GBW) ja vahvistus (AV) riippuvat merkittävästi virrantiheydestä (IDS/W) ja portin pituudesta (L). Lisäksi simulointitulokset eri lämpötiloissa vahvistavat transistorin toimintapisteen optimoinnin merkityksen lämpötilan vaihdellessa.

Erityisen huomionarvoista on, että kvanttilaskennan vaatimukset asettavat transistorien käytölle tiukat rajat, sillä niissä tarvitaan erittäin alhaista virrankulutusta sekä toimintavarmuutta laajalla lämpötila-alueella. Tässä takaportin jännitteen säätö mahdollistaa toimintapisteen automaattisen optimoinnin ja stabiilin toiminnan jopa alle −250 °C lämpötiloissa.

Näiden havaintojen valossa lukijan on tärkeää ymmärtää, että transistorien suorituskyky ei ole yksinomaan piirin suunnittelun tai materiaalin ominaisuuksien tulosta, vaan se on seurausta monien ulkoisten ja sisäisten tekijöiden yhteisvaikutuksesta. Takaportin hallittu käyttö on avainasemassa, kun pyritään saavuttamaan optimaalinen yhdistelmä vahvistusta, taajuusvastetta ja virrankulutusta. Lisäksi lämpötilan vaikutukset tulee ottaa tarkasti huomioon, sillä ne voivat merkittävästi muuttaa transistorin sähköisiä ominaisuuksia ja siten koko järjestelmän toimintaa.

Mikä teki New Hampshiren esivaaleista käännekohdan Trumpin kampanjalle?
Miten ravintoaineet ja rohdokset voivat vaikuttaa sydänterveyteen?
Miten pääskyt muuttavat pesimisstrategiaansa ja sopeutuvat ympäristöönsä?
Miten luoda äärimmäistä keskittymiskykyä ja maksimoida tuottavuus?