Hur kan en back-gate-förstärkningsteknik förbättra småsignalutgångsimpedansen i inverterbaserade OTA?

Fuldrenad silikon-på-isolator (FDSOI) CMOS-teknologi erbjuder unika fördelar genom den isolerade begravda oxiden (BOX) som effektivt skiljer transistorns källa och dränering från substratet eller vället. Denna isolering eliminerar inte bara icke-linjär kapacitans mellan kontakterna utan möjliggör även flexibla arkitekturer för transistorers välj, såsom inverterade välldevices. När exempelvis en nMOS-transistor placeras ovanpå en nWell kan en positiv bulk-källspänning (VBS) appliceras och minska transistorns tröskelspänning med upp till 140 mV, vilket ökar effektiviteten i kretsar som behöver hantera processvariationer. Denna förmåga att justera transistorns tröskelspänning, en DC-parametrar, visar sig särskilt användbar vid hantering av digitala kretsar, medan den också kan appliceras på analoga och blandade signalapplikationer.

En av de mest intressanta aspekterna av FDSOI-teknologin är användningen av back-gate, eller bulk-transkonduktans, för att justera transistorns beteende. Detta kan implementeras i olika feedbackloopar och feedforward-konfigurationer, där feedback kan användas för att linearisa signaler och förbättra linjäriteten i kretsar som exempelvis strömmavslutnings-DAC:ar. I detta sammanhang undersöks också hur bulk-transkonduktans kan användas för att kompensera strömgenomgången genom resistorer i analoga förstärkare.

Simuleringar har visat att denna teknik effektivt ökar utgångsimpedansen vid olika transistorlängder och feedbackvinster. Vid en gain av Ab = -1 kan till exempel utgångsimpedansen öka från 2,7 kΩ till 23 kΩ beroende på transistorlängden och optimala gainvärden. Eftersom det är svårt att underhåll de teoretiskt optimala värdena under olika process-, spännings- och temperaturförhållanden, fokuserar denna metod på att skapa ett system som effektivt kan hantera dessa variationer genom praktiska lösningar. Genom att hålla Ab inom ett specifikt intervall, där |Ab| < 1, kan en passiv justering av gainen göras, vilket gör det möjligt att effektivt kontrollera förstärkarens prestanda även under olika driftförhållanden.

För att säkerställa att den föreslagna back-gate-förstärkningstekniken fungerar pålitligt under olika processvariationer, har en enkel 2-bitars spänningsdelare använts för att styra Ab-värdet. Denna delare garanterar att variationer i poly-sheets resistans inte påverkar gainkontrollen, och därmed blir systemet mer stabilt över de olika processgränserna som testats under simuleringarna. Genom att använda en sådan passiv metod kan även de kostnader som är förknippade med mer komplicerade aktiva justeringssystem undvikas.

En ytterligare fördel med den här tekniken är att den möjliggör snabb och effektiv justering av det öppna slingan vid olika processfrekvenser, vilket bekräftas genom simuleringar som har visat på en konsekvent förbättring i gain, även under varierande processgränser. Detta gör det möjligt att designa förstärkare som är både effektiva och pålitliga, även i applikationer där processvariationer och temperaturfluktuationer är betydande.

Hur påverkar back-gate gain och processvariationer prestandan hos transistorer i integrerade kretsar?

I avancerade halvledarteknologier, särskilt vid tillämpningar av FDSOI (Fully Depleted Silicon on Insulator) CMOS-transistorer, spelar effekten av back-gate gain (Ab) och processvariationer en avgörande roll för den elektriska prestandan hos en krets. För att förstå denna dynamik är det viktigt att analysera både hur Ab påverkar transistorns beteende och hur variationer i tillverkningsprocessen, såsom de som beskrivs genom de tre processcorner (typiska, långsamma, och snabba), bidrar till osäkerheter i resultatet.

Back-gate gain refererar till en förstärkningseffekt som uppstår när back-gate spänningen på en transistor påverkar dess framåtspänning och därmed strömflödet. I FDSOI-transistorer, där en isolerande lager används mellan transistorens kanal och substrat, gör denna effekt det möjligt att kontrollera transistorns prestanda på ett mycket finare sätt. Ett justerat Ab kan förbättra transistorns transkonduktans och därmed höja både frekvensrespons och linjäritet, vilket är kritiskt för högpresterande integrerade kretsar som används i kommunikationstekniker och signalbehandling.

Vid simuleringar och experimentella mätningar är det uppenbart att variationer i processparametrar, som exempelvis kanalens längd och spänningsinställningar, kan ge upphov till variationer i den resulterande transistorns förmåga att leverera en stabil förstärkning. Dessa processvariationer kan leda till ökade störningar i den utgående signalen och påverka IM3 (intermodulation distorsion), som är en kritisk parametrar för att bestämma linjäriteten hos en förstärkare. En noggrann simulering av de potentiella variationerna i processcorner och deras påverkan på både SNDR (Signal-to-Noise and Distortion Ratio) och IM3 är avgörande för att förstå dessa effekter på realtidskretsar.

Ett intressant observation är att när Ab varierar, tenderar den öppna loopen att visa förändringar i både förstärkning och fasrespons, vilket inte bara påverkar den dynamiska prestandan men även den långsiktiga stabiliteten. Genom att simulera och mäta dessa effekter över olika temperaturer och spänningsvariationer, kan man förutsäga hur ett system kommer att reagera i olika driftförhållanden. Detta blir särskilt viktigt när man optimerar kretsar för högsta möjliga prestanda vid olika externa faktorer som temperaturförändringar eller strömförsörjningsvariationer.

Det är också viktigt att ha i åtanke att de tekniska lösningarna för att hantera sådana variationer ofta kräver en kombination av modellering, simulering och experimentell validering. Ett effektivt samarbete mellan teoretisk design och praktiska mätningar är avgörande för att utveckla pålitliga högpresterande enheter.