Tulevaisuuden langattomat viestintästandardit, kuten 6G, edellyttävät useiden gigabitin sekuntinopeuksien datanopeuksia. Tämän saavuttamiseksi kehitetään laajakaistaisia, erittäin lineaarisia ja matalahäiriöisiä RF-AD-muuntimia, jotka mahdollistavat suoran näytteenoton antennin läheisyydessä. Tällainen lähestyminen poistaa monia perinteisiä vastaanottimen signaaliketjun komponentteja, kuten sekoittimia, ja parantaa siten häiriösuhdetta, joustavuutta ja pinta-alatehokkuutta. Samanaikaisesti CMOS-teknologian piirin pienentyminen mahdollistaa korkeat transitotaajuudet yli 400 GHz:n ja alhaisen vaihehäiriön, jotka ovat edellytyksiä laajakaistaisille ja nopeille AD-muuntimille.

AD-muuntimien korkean näytteenottotaajuuden ja laajan taajuuskaistan yhdistäminen vaatii erityisiä piirteitä etuvahvistimilta, kuten FE-bufferilta ja T&H (track-and-hold) -vahvistimilta. Nämä komponentit ovat ratkaisevia muuntimen suorituskyvylle, sillä ne vaikuttavat suoraan kaistanleveyteen, kohinasuhteeseen ja lineaarisuuteen. FE-bufferin suuri näytteenottokapasitanssi vähentää kohinan kertymistä, mikä parantaa signaalin häiriösuhdetta matalilla tulojännitteillä. Tämä kuitenkin rajoittaa kaistanleveyttä ja edellyttää toimenpiteitä kaistan ylläpitämiseksi korkeilla taajuuksilla.

Kehon jännitteistyksellä (body-biasing) saavutetaan merkittäviä parannuksia sekä kaistanleveydessä että lineaarisuudessa. Käyttämällä 22 nm:n FDSOI CMOS -teknologiaa voidaan transistorin kynnysjännite alentaa jopa 83 mV/V vahvistamalla kehon jännitettä, mikä puolestaan vähentää kytkimen ON-vastusta ja parantaa näytteenottokytkimen toimintaa. Tämä mahdollistaa laajemman kaistanleveyden ja paremman lineaarisuuden samalla, kun tehonkulutus pysyy kurissa.

Erityisesti top-plate T&H-vahvistimissa kehon jännitteistys toimii tehokkaana palautesolmuna common-mode feedback (CMFB) -piirissä ja parantaa dynaamisesti vahvistimen suorituskykyä. FE-bufferin ja T&H-vahvistimen tarkastelussa pienen signaalin analyysi osoittaa, että kehon jännitteistys kasvattaa kokonaiskaistanleveyttä vähentämällä transistorin kynnysjännitteestä johtuvaa rajoitusta. Suuren signaalin analyysi puolestaan paljastaa, että eteenpäin kohdistettu kehon jännitteistys parantaa lineaarisuutta merkittävästi, mikä on välttämätöntä suorituskykyisille RF-AD-muuntimille.

T&H-vahvistimien rakenteessa tärkeä osa on matala lähtöimpedanssi FE-bufferissa, joka minimoi kytkentästä johtuvat takaisinkytkentähäiriöt (kick-back). Esimerkiksi 12 GS/s vahvistin on suunniteltu niin, että FE-bufferin lähtöimpedanssi on noin 8,3 Ω ja transkonduktanssi 120 mS. Tällä varmistetaan riittävä kaistanleveys ja nopea reagointikyky jopa 600 fF:n näytteenottokapasitanssilla, joka tarvitaan korkean SNR:n ylläpitämiseksi.

Vahvistimen virran määrä optimoidaan saavuttamaan riittävä nykäysaika (slew rate) kapasitiivin lataamiseksi täyteen jännitteeseen lyhyessä ajassa (~6 ps), mikä on vain 15 % koko T&H:n seurausajasta (~40 ps). Tämä tasapaino mahdollistaa korkean näytteenottotaajuuden yhdistettynä tehokkaaseen tehonkulutukseen. Lisäksi BE-bufferi, joka vastaanottaa jo tasaantuneen signaalin T&H:sta, toimii NMOS-source-followerina, jonka body-kytkentä lähteeseen parantaa vahvistusta ja mahdollistaa kevyemmät virravaatimukset (n. 6,5 mA).

Kehon jännitteistyksen merkitys korostuu, kun pyritään saavuttamaan korkeatasoinen signaalin laatu laajalla kaistalla ja suurilla nopeuksilla. Tämä teknologia mahdollistaa RF-AD-muuntimien toteuttamisen yhä pienemmissä CMOS-prosessissa, säilyttäen samalla korkean suorituskyvyn ja alhaisen virrankulutuksen, mikä on oleellista tulevien 6G- ja sitä seuraavien langattomien standardien vaatimuksissa.

Lisäksi on huomioitava, että kehon jännitteistys ei ainoastaan paranna yksittäisten transistorien suorituskykyä, vaan mahdollistaa dynaamisen sopeutumisen muuntimen eri toimintatiloissa, esimerkiksi kompensoiden lämpötilan ja prosessivaihtelut. Näin piiri säilyttää korkean lineaarisuuden ja matalan kohinan myös epäedullisissa käyttöolosuhteissa. Tämä tekee kehon jännitteistyksestä keskeisen tekijän tulevaisuuden huippuluokan AD-muuntimien suunnittelussa.

Miten FDSOI MOSFET:n toimintaperiaatteet vaikuttavat RF-kytkimen suorituskykyyn?

RF-kytkimissä käytettävien MOSFET-transistoreiden toiminta perustuu porttijännitteen suhteeseen kynnysjännitteeseen, mikä määrittää transistoriin muodostuvan johtavan kanavan tilan. Kun porttijännite ylittää kynnysjännitteen yli 100 mV:llä, transistori toimii vahvassa inversiossa, jolloin kanava muodostuu täyteen ja mahdollistaa suuren virran kulun lähdön ja lähteen välillä. Tätä tilaa hyödynnetään RF-kytkimissä, joissa transistorit ovat pääosin vahvan inversiotilan tilassa, jotta saavutetaan pieni on-kanavan resistanssi (Ron) ja tehokas virranjohtokyky.

On-tilassa transistorin käyttäytyminen triode-alueella, kun Vds on pienempi tai yhtä suuri kuin Vgs ja kynnysjännitteen välinen erotus, voidaan kuvata neliöllisen laki lähestymistavalla. Käytännössä transistori toimii lineaarisesti, kun on-kanavan resistanssi riippuu porttijännitteestä ja transistorin geometrisista parametreista, kuten portin leveydestä ja piirin paksuudesta. Tämä lineaarisuus on keskeinen, koska se takaa vakaan resistanssin RF-signaalin koko jännitealueella. Tätä saavutetaan muun muassa suurilla porttivastuksilla, jotka pitävät portin lähdejännitteen tasaisena ja estävät negatiivisen jännitevaihtelun aiheuttaman diodin etuun päin johtamisen.

Transistorin kynnysjännitteen modulointi on merkittävä ominaisuus, johon vaikuttaa muun muassa takaportin jännite. FDSOI-rakenteessa transistorin runko on eristetty BOX-kerroksella ja alle sijoittuva piikerros toimii takaporttina, jonka jänniteasetus mahdollistaa kynnysjännitteen hienosäädön. Tämä säätö on olennainen sekä on-kanavan resistanssin että transistorin maksimijännitearvojen (breakdown voltage) hallinnassa. Breakdown-jännite määrittää transistorin kyvyn sietää suuria jännitetasoja off-tilassa ilman että transistori siirtyy tahattomasti päälle, mikä aiheuttaisi haitallisia harmonisia yliaaltoja ja lämpörasitusta.

Breakdown-ilmiö näkyy ajassa siten, että transistorin jännitteet ylittävät kynnysarvonsa positiivisilla ja negatiivisilla jännitehuipuilla, mikä johtaa ei-lineaarisiin virripiikkeihin ja voimakkaaseen lämmönkehitykseen. Tämän vuoksi transistorin suunnittelussa ja materiaalivalinnoissa otetaan huomioon myös ominaisuudet, jotka vähentävät kapasitiivisia ei-lineaarisuuksia. Esimerkiksi transistorin päälle sijoitetut kapasitiivit (Cgs, Cgd, Cds) aiheuttavat epäsymmetrisiä yliaaltoja, kun taas substraatin kapasitiivi (Csub) tuottaa symmetrisiä harmonisia komponentteja. Näiden vaikutusten hallinta edellyttää huolellista transistorin koon ja substraatin materiaalin valintaa, esimerkiksi korkean resistiivisyyden pii ja ansaistetut substraatit parantavat suorituskykyä ja vähentävät harmonisia säröjä.

Lisäksi mallintaminen ja simulointi vaativat tarkkoja transistorimalleja, kuten Penn State Philips (PSP) -mallia, joka kuvaa paremmin transistorien ei-lineaarista käyttäytymistä RF-sovelluksissa verrattuna perinteiseen BSIM-malliin. Erityisesti kolmannen harmonisen ennustaminen onnistuu PSP-mallilla pienemmällä virheellä, mikä on tärkeää RF-kytkimien suunnittelussa.

Takaportin vaikutus korostuu, koska se voi säätää kynnysjännitettä dynaamisesti, mikä puolestaan muuttaa sekä on-kanavan resistanssia että breakdown-jännitettä. Tämä modulointi mahdollistaa paremman suorituskyvyn ja joustavamman hallinnan RF-kytkimissä, mutta vaatii samalla tarkkaa suunnittelua ja ymmärrystä transistorin sisäisistä fysikaalisista prosesseista.

On tärkeää ymmärtää, että RF-kytkinten toiminta ei perustu pelkästään transistorien staattisiin ominaisuuksiin, vaan niiden dynaamiseen vasteeseen erilaisissa käyttötilanteissa, joissa jännitteet ja virrat vaihtelevat nopeasti. Näin ollen sekä transistorin fyysinen rakenne että sen sähköiset ominaisuudet, kuten kapasitanssit ja kynnysjännite, ovat keskeisiä tekijöitä suorituskyvyn ja luotettavuuden varmistamisessa. Lisäksi lämpötilan ja materiaalien hallinta on ratkaisevaa transistorien kestävyyden ja pitkäikäisyyden kannalta, koska liiallinen lämpökuormitus voi johtaa pysyviin vaurioihin.

Miten satunnaismetsämalli ennustaa epidemian leviämistä simuloidun SEIR-mallin pohjalta?
Miten sumea logiikka auttaa mallintamaan HIV:n etenemistä ja lääkkeiden farmakokinetiikkaa?
Mikä on Kultaisten Poikien ja Kuoleman Salaisuus?