Hur aktiv bakgatesignalinjektion förbättrar linjäritet i transkonduktorer

I transistordesign är det välkänt att brist på linjäritet kan försämra prestanda avsevärt, särskilt vid höga moduleringsnivåer eller vid användning av bredbandiga applikationer. Ett av de mest effektiva sätten att åtgärda denna brist är att använda en teknik som aktiv bakgatesignalinjektion, vilket kan förbättra både linjäriteten och signal-brusförhållandet (SNR) i transkonduktorer.

Den grundläggande idén bakom bakgatesignalinjektion är att aktivt modulera bakgaten på en transistor, vilket påverkar transkonduktansen och därigenom förbättrar linjäriteten hos transistorförstärkaren. Enligt de matematiska modellerna, som beskrivs i de föregående ekvationerna, adderas de brusströmmar som uppstår genom aktiv bakgatesignalinjektion till det totala brusflödet, vilket leder till en effektiv brusreducering. För att formulera detta i termer av brusströmmar kan vi skriva:

där $A$ är förstärkningen och $gmB$ är bakgates transkonduktans. Här ser vi att när bakgatens brusvoltage $v2N$ interagerar med transkonduktansen $gmB$, skapas ett brusflöde $i2N$ som är proportionellt mot $gmB$. Genom att optimera dessa parametrar kan man minimera det totala brusbidraget, vilket i sin tur förbättrar systemets prestanda.

Vidare påverkar användningen av bakgatesignalinjektion hela systemets effektiva brus, som anges genom den reviderade ekvationen:

Genom denna formel kan vi uppskatta det totala bruset, där de individuella transistorernas brus inte påverkas direkt av topologin men snarare bidrar till det övergripande brusflödet beroende på den förändrade effektiva transkonduktansen.

Den största fördelen med att använda bakgatesignalinjektion är att det gör det möjligt att använda större ingångssignaler utan att förlora linjäritet, vilket förbättrar signal-brusförhållandet (SNR). Som ett exempel kan vi titta på en tillämpning där ingångssignalen utan lineariseringskretsar är begränsad till 40 mV, medan den med lineariseringskretsen kan ökas till 160 mV. Detta innebär en fyrdubbling av det linjära området, vilket markant förbättrar prestandan.

Det är också viktigt att notera att bakgatesignalinjektionstekniken påverkar det effektivt inmatade bruset genom att minska linjäritetsfelet. I exempelvis en situation där förstärkningen sätts till $AB(0) \approx 4$, kan det ingångsrelaterade bruset endast öka med en faktor på 1,5, vilket innebär en förbättring av SNR trots att förstärkningen ökas.

För en robust implementering av denna teknik krävs att bakgatens förstärkning är oberoende av PVT-variationer (process-, spänning- och temperaturvariationer). Detta kan åstadkommas genom att använda en resistiv feedback, där inte de absoluta värdena på resistorerna utan deras förhållande styr förstärkningen. Genom att undvika stora variationer i resistivitet, exempelvis genom att använda resistiva källdegenereringar, kan man säkerställa att förstärkningen förblir stabil även under förändrade PVT-förhållanden.

Vid designen av system som kräver högre bandbredd, som i modern mobilmottagning, kan denna teknik spela en avgörande roll för att säkerställa att transkonduktorn håller hög prestanda även vid högre frekvenser. Ett bra exempel på detta är användningen av en aktiv bakgatesignal i en differentialförstärkare (DDA) som implementerar ett GmC-baserat loopfilter. Denna metod är särskilt användbar i nästa generations mobila mottagare som kräver bandbredd på över hundra megahertz, där låg effekt och hög noggrannhet är avgörande.

Utöver förbättrad linjäritet och SNR, gör denna metod det också möjligt att designa mer effektiva system genom att minska strömförbrukningen samtidigt som prestanda upprätthålls. Detta är särskilt viktigt i integrerade kretsar där energieffektivitet är en nyckelfaktor. För att förstå de långsiktiga fördelarna med denna teknik är det också viktigt att beakta de potentiella trade-offs mellan linjäritet, bandbredd och strömförbrukning, samt hur dessa parametrar kan optimeras för olika applikationer.

Hur dielektriska lager påverkar RF-switchar i CMOS FDSOI-processen: En analys av kapacitans och spänningsfördelning

De materialparameter som används för numerisk utvärdering av modellerna sammanfattas i Tabell 9.1. Dessa parametrar bestäms av de tillgängliga alternativen för hårdvaruimplementation. I praktiska tillämpningar kan dielektriska lager med permittivitetsvärden mellan 1 och 4, och tjocklekar upp till 1000μm, förekomma [8]. Numerisk utvärdering av kapacitansen per 1μm layoutlängd över bredden W visas i Fig. 9.10. Kurvorna för wire-bonded och flip-chip-konfigurationerna är nästan identiska, med ett genomsnittligt differens på under 0.6% och 0.7%, respektive. För validering av den numeriska utvärderingen genomfördes EM-simuleringar med Sonnet Lite EM-lösare. Skillnaden mellan kapacitanskurvorna erhållna från EM-simuleringarna och de beräknade kurvorna är under 8.7% för wire-bonded-konfigurationen och 3.5% för flip-chip-konfigurationen.

Substratkapacitansen påverkar avsevärt enhetligheten i spänningsfördelningen inom en RF-switchstack. Obalansen blir starkare med ökande $C_{sub}$. Spänningsfördelningen enligt det ekvivalenta kretsdiagrammet som visas i Fig. 9.11a bestäms som:

där $V_{ds,i}$ är spänningen vid varje transistor i stacken, $V_{RF,peak}$ är den högsta RF-spänningen, och $N$ representerar antalet transistorer i stacken. Denna obalans kan elimineras genom att använda jämviktskapacitorer som ansluts parallellt till dränerings- och källterminalerna för varje transistor i stacken enligt Fig. 9.12a.

Det är också viktigt att förstå hur bakgate-effekten påverkar RF-switchens prestanda. Användningen av bakgate-biasing för att förbättra prestandan hos MOSFET-baserade RF-switchar har visats i litteraturen [12], där en SPDT-switch i en 22 nm FDSOI-teknologi visade på förbättringar av infogningstapp på cirka 5%, isolering på omkring 1 dB och linearitet i termer av IIP3 med 4 dB efter att ha tillämpat bakgate-bias-spänningar på ±3V. Trots den relativt tunna BOX-strukturen på 20 nm, är förbättringarna som uppnås genom bakgate-biasing ändå marginella. Det är också värt att notera att bias-spänningens tecken beror på switchens tillstånd.

För att möjliggöra olika bakgate-biasing för individuella switchar inom en monolitisk integrerad krets som omfattar flera switchar, måste lokala substratisolerade områden implementeras under de aktiverade switcharna. I [12] används trippelbrunnar under BOX för detta ändamål.

För en mer exakt och pålitlig förståelse av substratens effekt på RF-switchar i CMOS FDSOI-processen är det av största vikt att fortsätta arbeta med EM-simuleringar och finjustera modellerna efter specifika krav på precision och designförhållanden. Även om förenklade kvasi-statiska modeller ger en god uppskattning för många applikationer, är det i mer kritiska sammanhang nödvändigt att beakta de detaljerade effekterna av substratets geometri och kapacitans genom mer avancerade simuleringstekniker.