Hur påverkar bakgateförstärkare och välkapacitans förstärkarens prestanda och linjäritet?

Vid design och optimering av förstärkare med bakgatefeedback är det nödvändigt att förstå de olika parametrarna som påverkar deras funktion, särskilt när det gäller kapacitiv belastning och förstärkarens bandbredd. Ett av de viktigaste koncepten som måste beaktas är välkapacitansen, som skapas av den omvända väl-substratdioden, och hur denna påverkar förstärkarens gain-bandwidth-produkt (GBW). När välkapacitansen är liten i förhållande till den lastkapacitans som används i förstärkaren, är dess effekt på GBW begränsad. Detta kan ses tydligt när Cwell är mycket mindre än CL. För stora enheter, där Cwell är ungefär 0,15 gånger Cgg, är påverkan relativt liten. Dock, för mycket små förstärkare, där välkapacitansen och Cgg inte längre är i linjär relation, blir effekten mer påtaglig och detta resulterar i en minskad GBW för förstärkaren.

När man utför mätningar av förstärkare med bakgatefeedback är det viktigt att beakta den linjära karaktären hos förstärkaren över ett brett spektrum av kanallängder. Testresultaten visar en förhållandevis konstant linjäritet över kanalens längd. Förstärkaren erbjuder hög linjäritet även vid låga spänningar, men detta förändras när spänningen sänks till ett visst nivå, vilket kan leda till att förstärkarens prestanda försämras på grund av ökad kapacitiv belastning.

Vid jämförelse av strömförbrukningen mellan bakgate- och frontgateförstärkare, visas det att den inverterbaserade bakgateförstärkaren generellt sett har en något lägre strömförbrukning jämfört med frontgateförstärkaren, trots att frontgateförstärkaren innehåller en extra finger för lasten. Detta förväntas eftersom bakgateförstärkaren har en fördelaktig kroppsbiasinställning, vilket innebär att den inte kräver lika mycket ström för att upprätthålla samma prestanda.

För att säkerställa noggrannhet i mätningar är det viktigt att man även beaktar de mismatch-effekter som kan uppstå mellan enheter på samma chip. Mätningar visar att mismatchen i bakgateförstärkaren är något högre än vad som förutses av simuleringarna, men ändå mycket lägre än för frontgateförstärkaren. Det föreslås att mismatchen troligen beror på variationer i den dominerande transkonduktansen hos de olika transistorerna, vilket inte alltid modelleras korrekt i foundry-modeller.

Förstärkarnas linjäritet och gain-mismatch är avgörande parametrar som måste kontrolleras noggrant för att uppnå optimal prestanda i praktiska applikationer. Mätningar visar att bakgateförstärkare erbjuder bättre linjäritet och lägre mismatch än sina frontgate-motsvarigheter, vilket gör dem till ett attraktivt alternativ i högprecisionstillämpningar där små variationer i förmåga kan ha stor betydelse.

Det är också viktigt att notera att den bakgateförstärkare som beskrivs här är mycket känslig för storleken på enheten och de biasvillkor som tillämpas. Små variationer i kanalens längd eller bredd kan ha en betydande inverkan på förstärkarens prestanda, vilket gör det viktigt att mäta och optimera dessa parametrar noggrant för att minimera mismatch och förluster i prestanda. Dessutom är det nödvändigt att beakta effekterna av extern belastning, eftersom den kan begränsa förstärkarens kapabiliteter vid mycket höga frekvenser.

Hur kan moderna tekniklösningar förbättra analoga kretsar och deras prestanda inom kommunikationssystem?

Genom att fokusera på aktiva komponenter som back-gate transkonduktans och användningen av förhållandet mellan gate-bias och temperaturkontroll, kunde vi utveckla metoder för att linjärisera förstärkare och DAC:ar (digital-analogomvandlare) på ett sätt som inte bara förbättrade deras prestanda utan även minskade strömförbrukningen, vilket är kritiskt för moderna, energieffektiva system. Ett exempel på detta är den implementering av en inverterbaserad OTA (operational transconductance amplifier) med aktiv body-bias feedback som vi utvecklade för att förbättra förstärkarens stabilitet och linjäritet under varierande temperaturer.

En annan framstående utveckling var implementeringen av mycket låga effekt VCSEL-drivkretsar, som använde back-gate bias för att justera och optimera de elektriska egenskaperna hos halvledarmaterialen. Detta gör det möjligt att effektivisera drivkretsarna för optiska kommunikationssystem och därigenom möjliggöra snabbare och mer tillförlitlig dataöverföring.

Vid design av dataomvandlare och analoga till digitala konverterare (ADC:er) är linjäritet och hastighet avgörande faktorer. Här implementerade vi en back-gate linjäritetsteknik för strömstyrda DAC:ar som inte bara förbättrade precisionen utan också möjliggjorde snabbare signalbehandling, vilket är ett måste för moderna kommunikationsstandarder. För att ytterligare öka effektiviteten utvecklade vi tekniker för att öka bandbredden i tid-interleaved ADC:ar, vilket resulterade i högre samplingsfrekvenser och mindre signalförlust vid snabb dataöverföring.

En av de mest lovande teknologierna som vi arbetade med var också integreringen av RF (radiofrekvens) och mmWave (millimeter-våg) kretsar för att möjliggöra högre dataöverföringshastigheter i nästa generations kommunikationssystem. Genom att använda bulk-drivna referensgeneratorer och anpassningsbara förstärkare med variabel förstärkningskontroll via bulk-biasing, utvecklade vi lösningar som minskar effekten av störningar och signaldämpning i höghastighetskommunikationer.

För att ytterligare driva innovation inom dessa områden är det avgörande att förstå både den fysiska och tekniska infrastrukturen bakom dessa kretsar. Det handlar inte bara om att optimera de elektriska egenskaperna utan också om att förstå de grundläggande materialvalen och tillverkningsprocesserna som ligger till grund för utvecklingen av dessa avancerade system. Kretsar designade med hjälp av FD-SOI-teknologi har visat sig ha fördelar när det gäller att minska läckström och förbättra enhetens prestanda under extremt varierande temperaturförhållanden.

För forskare och ingenjörer inom detta område innebär det en utmaning att hitta den rätta balansen mellan teoretiska beräkningar och praktiska tillämpningar. Därför är det också viktigt att ha en gedigen förståelse för de prototyper och testmetoder som används för att säkerställa att de designade systemens prestanda är i linje med de verkliga användningskraven.

Hur kan bandbreddsökning i T&H-förstärkare förbättra prestanda i RF-ADC:er för trådlösa kommunikationssystem?

För att uppnå höga datahastigheter krävs RF-provtagningshastigheter i GS/s-intervallet, hög ingångsbandbredd och en klocka med låg fasbrus. Dessutom kan en front-end (FE)-sampler användas för att minska kraven på sub-ADC:erna, vilket sparar energi och minskar tidsinterleave-felen. Båda tillvägagångssätten kräver en FE-buffert och en stor samplingskapacitans i en Nyquist-takt ADC för att uppnå hög upplösning eftersom den ackumulerar mindre brus. Därför används vanligtvis en FE-buffert vid ingången för att skydda ADC:n, ge en bred ingångsbandbredd och isolera FE-samplern för att minska kickback-effekterna.

FE-bufferten och FE-samplern är således de mest kritiska komponenterna som bestämmer ADC:ns prestanda när det gäller bandbredd, brus och linearitet. Body-biasing erbjuder fördelar såsom ökad bandbredd och linearitet och fungerar som en feedbacknod för en gemensam lägesfeedback (CMFB). Här presenteras två track-and-hold (T&H)-förstärkare som utnyttjar den starka body-biasingmöjligheten i 22 nm fullständigt depleterad silikontillståndsteknik (FDSOI) CMOS-teknologi. I den första delen analyseras en 12 GS/s-förstärkare med småsignalanalys för att fastställa body-biasingens effekt på den övergripande bandbredden, följt av en stor signalanalys för att beräkna linearitetsförbättringen genom framåtbiasing.

I den andra delen presenteras en mycket linjär 3-GS/s-förstärkare som använder body-biasing för CMFB och dynamisk body-biasing för att förbättra den övergripande bandbredden och lineariteten hos T&H-förstärkaren.

I en standard trådlös mottagningskedja förstärks den inkommande signalen först av en lågbrusförstärkare (LNA) och därefter av en effektförstärkare (PA) för att förbättra signalens effekt. Emellertid har integrerade CMOS PA:er typiskt sett låg uteffekt, vilket ofta kräver användning av flera förstärkningssteg för att öka gainen, vilket i sin tur ökar den totala energiförbrukningen. Den förstärkta signalen från PA:n digitaliseras sedan med hjälp av en RF-ADC.

För att lösa detta problem införlivas body-biasing i RF-fronten för att förbättra bandbredden och anpassa den i samplingsomkopplaren. Därför föreslås här en 12 GS/s body-driven top-plate T&H-förstärkare för låga ingångsamplituder. Blockdiagrammet för T&H-förstärkaren består av en 50Ω impedansmatchad FE-buffert, en top-plate-sampler och en bakre buffert som driver en höghastighets-ADC. FE-bufferten är designad med låg utgångsimpedans (ungefär 8,3Ω), vilket resulterar i en transkonduktans gM1 på 120 mS, vilket ger tillräcklig ingångs- och utgångsbandbredd samtidigt som kickback-effekterna från T&H minimeras.

Denna konfiguration kräver en FE-buffertström på cirka 13 mA för att uppnå en 6 ps slewingtid, vilket är 15 % av den totala track-tiden på cirka 40 ps. Body-biasing ger fördelar både när det gäller bandbredd och linearitet. Genom att applicera en negativ spänning på PMOS-kroppen minskas ON-resistansen hos samplingsomkopplaren M3, vilket förbättrar den övergripande bandbredden och lineariteten.

För att verkligen förstå effekten av dessa tekniker på ADC:ernas prestanda är det också viktigt att betrakta de utmaningar som uppstår vid extremt höga samplingshastigheter. När frekvenserna går över vissa gränser, som vid 12 GS/s, krävs nya designmetoder för att hantera fenomen som signalnedbrytning och förluster i linjäritet. Dessa teknologier har potential att avsevärt minska strömförbrukningen i RF-kretsar samtidigt som bandbredd och linjäritet förbättras, vilket är avgörande för att möta de växande behoven inom trådlös kommunikation.