Miten taustaporttipalaute parantaa FD-SOI-teknologian vahvistimia?

FD-SOI-teknologiassa taustaportti toimii tehokkaana palautepisteenä common-source-vahvistimissa, mikä mahdollistaa negatiivisen palautteen syntymisen ilman lisäpiirikomponentteja tai säätötarvetta. Tämä johtuu ultraohutkerroksisesta eristeestä, joka erottaa piisirun taustaportin kanavasta, tarjoten laajan jännitevaihtelun ja käytännössä jännitteestä riippumattoman vahvistuskerroksen γ. Täten taustaporttipalautteella saavutetaan sekä korkeampi lineaarisuus että pienempi epätarkkuus verrattuna perinteisiin etuportin vahvistimiin.

Toisin kuin FD-SOI, bulk-piiriteknologiassa käytettävä kehon jännite (body bias) ei tarjoa vastaavia etuja, koska lähde- ja nieludiodeja on pidettävä käänteisesti kytkettyinä, mikä rajoittaa kehon jännitteen vaihteluväliä. Vaikka kehon palautteen käyttäminen on teoriassa mahdollista esimerkiksi aliprääsytilassa tai kapasitanssikytkennän avulla, se vaatii lisäpiiriratkaisuja ja ei tarjoa FD-SOI:n tasoista lineaarisuuden parannusta tai epätarkkuuden vähennystä.

Kehon jännitteen herkkyys bulk-teknologiassa on jännitteestä riippuvaista ja altis epälineaarisuudelle sekä satunnaisille dopanttipoikkeamille. Tämä näkyy siinä, että kynnysjännite Vth ei ole vakio vaan riippuu kehon ja lähteen välisestä jännitteestä. Siten palautteen vakauttaminen bulk-piireissä on vaikeampaa ja tehonhallinnassa ilmenee rajoituksia.

FD-SOI:n ainutlaatuinen rakenne – ohut eristekerros piisirun ja taustaportin välissä – mahdollistaa laajan taustaportin jännitealueen ja stabiilin palautteen. Tämä tekee teknologiasta erityisen sopivan sovelluksiin, joissa tarvitaan tarkkaa vahvistuksen hallintaa, kohtuullista nopeutta ja erinomaista lineaarisuutta. Tällaista vahvistimen rakennetta voidaan hyödyntää muun muassa analogisissa ja RF-piireissä, joissa signaalin eheys ja kohinan minimointi ovat kriittisiä.

Palautemekanismin ansiosta piiri ei tarvitse ylimääräisiä säätökomponentteja, mikä yksinkertaistaa suunnittelua ja lisää luotettavuutta. Lisäksi vahvistimen tulovastus pysyy korkeana, mikä on tärkeää signaalien eheydelle.

Vaikka FD-SOI tarjoaa selviä etuja, sen käyttö vaatii ymmärrystä siitä, miten fysikaaliset parametrit, kuten taustaportin kapasitanssi ja kynnysjännitteen säätely, vaikuttavat vahvistimen toimintaan. Myös lämpötilan ja prosessivaihteluiden vaikutukset on huomioitava suunnittelussa, jotta saavutetaan vakaat ja luotettavat suoritusarvot.

Kuinka aktiivinen takaportin syöttö linearisoi MOSFET-transkonduktanssin?

FD-SOI CMOS -teknologia tarjoaa tähän uutta näkökulmaa, koska siinä lähde- ja valtimurat erotetaan täysin bulk-solmusta, jolloin perinteiset bulk-lähde-diodin rajoitteet poistuvat. Tämä mahdollistaa bulk-solmun käytön aktiivisesti toisen portin, takaportin, tavoin. Takaportille voidaan syöttää suurempi jännite, joka vaikuttaa transistorin kanavaan kuten etuporttikin, jolloin voidaan hallita transistorin kynnysjännitettä ja muita parametreja.

Tässä linearisointitekniikassa sisäänmeno signaali syötetään aktiivisesti takaportin kautta apuvahvistimen avulla. Takaportin signaali on tarkoituksella asteikolla, joka kompensoi etuportin epälineaarisuutta. Kun etu- ja takaportin transkonduktanssit (gmF ja gmB) on suunniteltu vastaamaan toisiaan tarkasti, niiden vaikutukset kumoavat toistensa epälineaariset komponentit, jolloin kokonaistranskonduktanssi Gm saadaan lineaariseksi koko käyttöalueella. Tämä edellyttää, että apuvahvistimen vahvistus ja molempien porttien epälineaarisuuden aste ovat optimaalisesti sovitettuja. Käytännössä tämä toteutetaan negatiivisella takaisinkytkennällä, jolloin Gm on erotus gmF:n ja gmB:n välillä.

Linearisoinnin onnistuminen perustuu siihen, että molempien porttien transkonduktanssikäyrät ovat vastakkaismerkkisiä ja niiden epälineaarisuudet ovat toistensa peilikuvia. Tämän vuoksi mallinnus ja polynominen analyysi ovat tärkeitä työkaluja suunnittelussa. Tämän lisäksi täytyy ottaa huomioon apuvahvistimen vahvistuksen tarkkuus ja sen vaikutukset kohinaan sekä lineaarisuuden herkkyys vahvistuksen virheille.

On ymmärrettävä, että linearisointi ei poista transistorin fysikaalista epälineaarisuutta vaan kompensoi sen dynaamisesti toisen portin kautta. Tämä vaatii tarkkaa analogista suunnittelua ja hyvää komponenttien sovitusta, jotta parannukset näkyvät käytännössä. Lisäksi suunnittelijan tulee huomioida, että vaikka takaportin käyttö mahdollistaa laajemman käyttöalueen ja pienemmän tehonkulutuksen verrattuna perinteisiin menetelmiin, järjestelmän kompleksisuus ja herkkyys kasvavat, mikä asettaa uusia haasteita integrointiin ja valmistusprosessiin.

Miten mitatut spektraalitulokset kuvaavat korkean taajuuden ADC:n suorituskykyä?

Spektraalisten mittausten perusteella ADC:n suorituskyky eri sisääntulotaajuuksilla on määritetty tarkasti. Mittauksissa käytettiin tuloamplitudia, joka on säädetty noin −0.5 dBFS:n tasolle. Mittaustulokset osoittavat, että signaali-kohinasuhde ja särön summa (SNDR) pysyvät yli 24.3 dB:n tasolla aina 37.2 GHz:n taajuuteen asti, mikä vastaa noin 3.75 bitin efektiivistä resoluutiota (ENOB). Tämä kertoo ADC:n kykenevän säilyttämään hyvän lineaarisuuden ja tarkkuuden jopa erittäin korkeilla taajuuksilla.

Amplitudihäviö tai roll-off on mitattu olevan noin −1.8 dB 37.2 GHz:n kohdalla, ja −3 dB:n kaistanleveys ylittää 40 GHz:n. Tämä osoittaa ADC:n kyvyn käsitellä erittäin laajakaistaista signaalia ilman merkittävää vaimenemista. Lisäksi ei-lineaarisuuden mittaukset, kuten INL (integraalinen lineaarisuusvirhe) ja DNL (differential lineaarisuusvirhe), on määritetty 10.5 MHz:n siniaaltosignaalilla, ja niiden arvot pysyvät hyvin alhaisina, +0.76/−0.95 LSB ja +1.5/−0.95 LSB:n välillä. Nämä arvot kertovat, että muun muassa koodin epätasaisuudet ja tasapainon häiriöt ovat kontrollissa, mikä on välttämätöntä korkean resoluution ADC:n toiminnalle.

Vertailtaessa tätä flash-tyyppistä ADC:tä alan huipputuotteisiin, tulokset ovat merkittäviä. Esimerkiksi Nyquist-taajuudella saavutettu ENOB on noin 3.9 bittiä, kun taas kulutettu teho on vain 270 mW, mikä on huomattavasti alhaisempi kuin monissa vertailukohtana olevissa laitteissa. Schreierin ja Waldenin FOM (figure of merit) -arvot ovat korkeat, 130 dB ja 0.98 pJ/c-s, mikä kuvaa laitteen erinomaista energiatehokkuutta suhteessa saavutettuun suorituskykyyn.

Tämän kaltaisten ADC-ratkaisujen kehitystyö, erityisesti 22 nm FD-SOI CMOS -teknologialla, on keskeinen askel kohti tulevaisuuden erittäin nopeita ja energiatehokkaita tietojenkäsittelyjärjestelmiä. ADC:n kyky toimia korkeilla taajuuksilla ja samalla säilyttää tarkka lineaarisuus on kriittinen esimerkiksi RF- ja mm-aaltopiireissä, joissa suuret tiedonsiirtonopeudet ja pienet häiriöt ovat välttämättömiä.

On tärkeää ymmärtää, että pelkkä korkea näytteenottotaajuus tai suuri resoluutio eivät riitä takaamaan ADC:n suorituskykyä käytännössä. Jatkuva mittaaminen eri taajuuksilla, lineaarisuusvirheiden hallinta ja tehokas energianhallinta muodostavat kokonaisuuden, joka mahdollistaa ADC:n soveltamisen nykyaikaisissa ja vaativissa sovelluksissa. Lisäksi laitteen toimintavarmuus ja herkkyys jännitelähteen vaihteluille ovat olennaisia tekijöitä, jotka vaikuttavat suoraan sovelluksen kokonaissuorituskykyyn.

Miten takaportin jännitteellä ohjataan vahvistusta 22 nm FDSOI-teknologiassa?

RF-vahvistimissa porttien biasointi toteutetaan usein korkeaohmisella bias-vastuksella, joka estää RF-signaalien kulun. Bulk-ohjaus voi kuitenkin tapahtua matalaimpedanssista reittiä pitkin, mikä mahdollistaa nopeamman vasteajan aktiivisissa takaisinkytkennöissä, koska korkeaohminen vastus ja kapasitanssi muodostavat hitaan RC-aikavakion. Tämä ominaisuus on erityisen arvokas D-kaistan vahvistimissa, joissa nopeus ja herkkyys ovat kriittisiä.

D-kaistan (noin 150 GHz) nelivaiheinen matalahäviöinen vahvistin (LNA) hyödyntää back-gate-ohjausta toisen ja kolmannen vaiheen vahvistuksen säätöön. Tämä ratkaisu mahdollistaa vahvistuksen vaihtelun 9–18 dB välillä ilman merkittävää melun lisääntymistä tai 1 dB:n kompressointipisteen (P1dB) heikkenemistä. Vahvistuksen säädöllä voidaan parantaa signaali-kohinasuhdetta (SNDR) rajoittamalla vahvistusta korkeilla tulotehoilla, mikä vähentää vahvistimen saturaatioilmiötä.

Kaskadoidun melun (NF) analyysi korostaa ensimmäisen vaiheen vahvistuksen vaikutusta kokonaistulokseen, minkä vuoksi sen vahvistusta ei juuri säädetä. Sen sijaan toisen ja kolmannen vaiheen vahvistuksen säätö mahdollistaa optimaalisen kompromissin melun ja vahvistuksen hallinnassa. Vahvistuksen säätö muuttaa myös vahvistimen meluparametreja ja parantaa näin kokonaissuorituskykyä. Kaskadoitu kolmannen asteen hajapiste (IP3) taas on vahvasti sidoksissa viimeiseen vaiheeseen, jonka vahvistusta pidetään vakaana optimaalisen lineaarisuuden ylläpitämiseksi.

LNA:n vaiheet on toteutettu differentiaaliseen common-source (CS) -konfiguraatioon kapasitiivisella neutraloinnilla, mikä maksimoi käytettävissä olevan ja stabiilin vahvistuksen. Vaiheiden välinen sovitus tehdään yksinkertaisella stubilla ja nollaimpedanssisella siirtojohtimella, mikä takaa riittävän lähdön heijastuksen konjugoidun sovituksen. Ensimmäinen vaihe on optimoitu matalan melun ja pienen häviön saavuttamiseksi, kun taas viimeinen vaihe keskittyy matalaan häviöön ja korkeaan IP3-arvoon. Vaiheiden 2 ja 3 vahvistusta säädetään hieman siirtolinjojen pituuksia muokkaamalla, jolloin saavutetaan laajempi taajuuskaista vahvistuksen huippujen siirtyessä hieman eri taajuuksille.

On olennaista ymmärtää, että vaikka vahvistuksen säätö bulk-jännitteellä parantaa monia parametreja, sen vaikutukset meluun ja lineaarisuuteen ovat monimutkaisia ja riippuvat vahvistimen vaiheiden rakenteesta ja kytkennästä. Lukijan on hyvä tiedostaa, että vahvistuksen hallinta on kompromissi, jossa pyritään optimoimaan herkkyys, nopeus ja lineaarisuus samanaikaisesti. Lisäksi, vaikka bulk-ohjaus tarjoaa nopean vasteen, sen käyttö vaatii tarkkaa suunnittelua, jotta ei synny ei-toivottuja vuotoja tai lisääntynyttä kohinaa kanavan eristyksen heikkenemisen takia.