Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
För att skapa en effektiv och kompakt operationsförstärkare (OTA) är det avgörande att maximera förstärkningskapaciteten utan att öka den totala effektförbrukningen. I den här studien presenteras en inverter-baserad OTA som utnyttjar aktiv body-bias feedback för att förbättra förstärkning och linjäritet. Denna teknik gör det möjligt att öka förstärkningen med minimal påverkan på den totala strömförbrukningen, vilket gör den särskilt attraktiv för applikationer inom trådlösa och trådbundna filtertopologier.
Modellen för den småsignaliga responsen för en sådan OTA beskrivs i det föregående som en funktion av de olika komponenterna i kretsen, inklusive den parasitiska kapacitansen från nWell-substratet, CnW. Genom att använda denna kapacitans och en aktiv body-bias feedback kan OTA:n erhålla en högre förstärkning än traditionella designmetoder. Vid tillämpning av denna teknik på en inverter-baserad arkitektur har man lyckats uppnå en ökning av förstärkningen från 24 dB till 42 dB, vilket är en markant förbättring utan att öka den erforderliga effektförbrukningen.
För att få en bättre förståelse av hur denna förstärkning kan bibehållas under olika driftsförhållanden, har olika experimentella mätningar utförts. Dessa mätningar har visat på minimal variation i den öppna slingan (OL) förstärkningen vid variationer i spänningsförsörjningen och temperatur, samt vid mätning över flera prover. Trots att det finns små variationer i gain (under 1 dB mellan prov) och viss ökning av effektförbrukningen (10 % vid temperaturvariationer från 20 °C till 70 °C), kvarstår den övergripande prestandan inom acceptabla gränser.
För att mäta prestanda mer detaljerat, har också den spektrala responsen för den enhetsförstärkande förstärkaren analyserats. Ett insignal på 212 MHz med −0,3 dBm ger en imponerande linjäritet på 50 dBc, vilket är ett tecken på hög kvalitet i den linjära regionen av förstärkaren. Denna nivå av linjäritet är avgörande för tillämpningar där noggrant signalbehandling är nödvändig, såsom i filtrering och andra RF-applikationer.
En intressant aspekt av denna design är den låga effektförbrukningen – endast 3,8 mW vid 1 V spänning. Detta gör designen mycket användbar för system där låg effekt är en kritisk parameter, som i batteridrivna enheter och andra portabla applikationer. Enligt mätningar är denna OTA också robust när det gäller variationshantering i både spänning och temperatur, vilket gör den till en idealisk kandidat för tillämpningar som kräver hög precision och tillförlitlighet över ett brett temperaturområde.
En annan viktig observation är att denna design kan implementeras i andra OTA-topologier, såsom differential current mode logic (CML), vilket innebär att den aktiva body-bias feedback-tekniken är mångsidig och kan appliceras på olika arkitekturer för att förbättra deras prestanda.
Det är också värt att notera att användningen av en single-stage OTA-koncept förhindrar behovet av kompenseringsvägar för stabilitet, såsom Miller- eller feedforward-kompensation, vilket förenklar designen och minskar både arean och komplexiteten i kretsen. Detta är en viktig fördel när man försöker skapa effektiva och kompakt integrerade lösningar för signalbehandling.
För läsare som är intresserade av att tillämpa denna typ av design i sina egna projekt, är det avgörande att noggrant beakta effekterna av kroppsbias på både förförstärkningen och stabiliteten hos hela systemet. Den aktiva body-bias feedback kan ge stora fördelar, men dess implementering kräver en noggrann balansering mellan förbättrad förstärkning och de potentiella negativa effekterna av temperatur- och spänningsvariationer.
Det är också viktigt att förstå att denna metod inte bara handlar om att höja förstärkningen; den syftar också till att upprätthålla hög linjäritet och stabilitet över hela driftsområdet. Därför måste alla mätningar och designval göras med hänsyn till dessa faktorer för att säkerställa att den önskade prestandan uppnås under olika driftsförhållanden.
Hur man optimerar FDSOI-transistorer för högsta prestanda och effektivitet vid hög frekvens och olika temperaturer
FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) teknologin har blivit en av de mest populära lösningarna för högfrekventa tillämpningar, där det är viktigt att optimera både prestanda och stabilitet under olika förhållanden. Genom att använda en back-gate-kontroll har det blivit möjligt att förbättra prestanda för transistorer, såsom n-MOSFETs, och maximera funktioner som fT (transistorens övergångsfrekvens) och fMAX (den maximala stabila förstärkningen), vilket är avgörande för applikationer inom både högfrekventa kretsar och millimeter-vågsystem.
För att optimera fMAX är det viktigt att back-gate-layouten och dess kapacitans mot substratet noggrant hanteras. Om back-gate-wellens kapacitans till p-substratet minimeras, blir prestanda vid höga frekvenser mycket bättre. Detta beror på att kapacitansen har stor påverkan på transistorens hastighet, vilket gör det möjligt för signaler i GHz-området att bearbetas effektivt.
Mätningar har visat att när man justerar back-gate-spänningen, kan man både påverka transistorens fT och fMAX på ett sätt som gör det möjligt att uppnå optimala prestanda, även vid mycket låga eller mycket höga temperaturer. Detta gör att FDSOI MOSFETs kan jämföras med avancerade FinFETs, som annars är standard i många kommersiella tillämpningar. Vid 300 K och 2 K uppvisar FDSOI MOSFETs en överlägsen eller lika hög MSG (Maximum Stable Gain) jämfört med FinFETs över hela frekvensområdet.
En annan viktig aspekt av designen av FDSOI-baserade kretsar är att man kan använda algoritmer för att optimera transistorns storlek och bias-inställningar för att uppnå bästa möjliga prestanda för en given applikation. Det innebär att man kan maximera hastighet, bandbredd, förstärkning och linearitet utan att behöva överdrivet mycket energi eller resurser, vilket annars skulle vara fallet om maskininlärning eller datoroptimering användes för dessa grundläggande designproblem. Däremot är det fortfarande möjligt att använda datoroptimering för att utforma komplexa matchningsnätverk eller för att optimera layouten och minimera parasitiska komponenter i större system.
För att uppnå den bästa prestandan måste det även beaktas att de flesta av dessa kretsar, när de är korrekt dimensionerade, är ganska okänsliga för variationer i bias-ström och processvariationer, vilket ger mycket robusta och högavkastande kretsar. Detta gör det möjligt att skapa högpresterande kretsar utan att behöva göra en alltför finjusterad design.
När det gäller specifika tillämpningar för FDSOI MOSFETs kan dessa optimeras för att uppfylla särskilda krav på olika typer av logikkretsar och förstärkare. Till exempel, vid design av lågvoltsbreda linjära transkonduktorer för ADC (Analog-to-Digital Converter) framsidan, kan det vara avgörande att använda en optimerad back-gate-spänning för att hålla en stabil strömtäthet och maximera transistorens VDS utan att öka brusnivåerna.
I andra applikationer som kräver låg strömförbrukning och låg spänning, till exempel cryogena differenspar med aktiva laster, är det avgörande att använda back-gate-kontrollen för att säkerställa att den maximala signalen kan överföras utan att öka systemets totala strömförbrukning. Samma teknik kan även appliceras i högfreventa varaktiga oscillatorer (VCOs), där det är nödvändigt att ha en starkt kontrollerad och stabil krets.
Det är också viktigt att förstå att FDSOI-transistorer är mest effektiva när man håller VDS-spänningen på den optimala nivån, vanligtvis mellan 0,4 V och 0,8 V. Detta för att maximera både fT och fMAX inom det önskade frekvensområdet. Vid denna punkt blir strömtätheten relativt okänslig för ytterligare variationer i VDS eller VBG (back-gate-spänning), vilket gör designen mer robust och förenklar tillämpningen av dessa transistorer i olika typer av höghastighetskretsar.
För att säkerställa att alla dessa optimeringar faktiskt resulterar i en stabil och effektiv lösning, är det viktigt att beakta både temperaturvariationer och processvariationer när man dimensionerar och optimerar FDSOI MOSFETs. Att skapa robusta kretsar som inte är beroende av externa faktorer som temperatur eller processavvikelser är avgörande för att uppnå långsiktigt tillförlitliga och effektiva elektroniska system.
Hur temperaturskänslighet påverkar prestandan hos MOSFET-transistorer i kvantdatorer
MOSFET-transistorer används i en mängd olika applikationer, inklusive kvantdatorer, där deras prestanda kan variera dramatiskt beroende på drifttemperaturen. Vid extremt låga temperaturer, såsom −250 °C, eller höga temperaturer som 125 °C, uppstår flera viktiga faktorer som påverkar både effektivitet och stabilitet hos dessa enheter. En avgörande komponent i att optimera prestandan är att använda back-gate-spänningsgenererande kretsar, som kan kompensera för förändringar i transistorernas drift vid olika temperaturer.
För en differentialpar-konfiguration med MOSFET-gatelängd på 50 nm och bias på en konstant strömtäthet på 0.1 mA/μm, bekräftar simuleringarna att back-gate-voltage-regleringskretsen fungerar effektivt över hela temperaturområdet från −250 °C till 125 °C. Detta säkerställer att VDS för varje transistor förblir exakt 0.4 V vid alla temperaturer och strömtätheter, vilket är avgörande för att hålla utgångssignalerna centrerade och för att upprätthålla en stabil drift.
När temperaturen sjunker till extremt låga nivåer, som vid 23 K, visar simuleringarna en signifikant minskning av brusnivån jämfört med vid rumstemperatur (300 K). Detta innebär att enheter som används i kvantdatorer kan erbjuda bättre signal-till-brus-förhållanden vid lägre temperaturer, vilket är fördelaktigt för noggrann mätning och manipulation av kvantbitar.
I applikationer där flera kvantbitar behöver integreras med individuella läsverstärkare på samma chip, som i monolitiska kvantprocessorer, är det också viktigt att minimera effektförbrukningen. För att hålla sig inom det termiska budgetet för flytande helium-cryostater (som arbetar vid 4 K), måste effektförbrukningen hos läsverstärkarna vara mycket låg – på ordningen av 1 μW. Testbänkar och simuleringar visar att sådana förstärkare med en effektförlust på mindre än 0.3 μW och 20 dB förstärkning är genomförbara, även med mycket små MOSFET-komponenter.
En annan viktig aspekt av prestandan hos MOSFET-transistorer vid extremt låga temperaturer är deras dynamiska egenskaper, såsom bandbredd (GBW) och transientbrus. Vid temperaturer runt −250 °C förväntas transistorer att uppvisa högre GBW och lägre brusnivåer jämfört med vid rumstemperatur. Detta är ett resultat av den ökade rörligheten och transkonduktansen hos n-MOSFETs vid låga temperaturer, vilket gör att de kan driva högre strömmar utan att öka brusnivåerna nämnvärt.
För CMOS-logik med FDSOI-teknologi är switchinghastigheten beroende av MOSFET:ens transkonduktans (gm) och strömtätheten vid driftspunkten. I FDSOI-teknologin kan back-gate-spänningen justeras för att optimera MOSFET:ens prestanda vid olika temperaturer, vilket gör det möjligt att använda samma design för olika driftsmiljöer. När det gäller kvantdatorer som opererar vid kryogena temperaturer, bör man särskilt uppmärksamma att n-MOSFET och p-MOSFET:s dimensioner optimeras för att upprätthålla balans mellan deras prestanda vid extremt låga temperaturer. Vid 2 K är det vanligt att p-MOSFETs prestanda inte förbättras lika mycket som för n-MOSFETs, vilket gör att deras förhållande i storlek måste justeras för att optimera operationen.
Det är också av betydelse att förstå de långsiktiga effekterna av temperaturvariation på transistorns på-resistans (Ron) och av-kapacitans (Coff). Vid förändrade temperaturer tenderar Ron att förbättras, vilket resulterar i kortare switch-tider och lägre energiförbrukning. Det är emellertid viktigt att noggrant beakta alla elektriska parametrar, inklusive kapacitans och resistans, för att säkerställa att transistorerna förblir effektiva även under kryogena förhållanden.
Det är av yttersta vikt att förstå att för att optimera prestandan hos MOSFET-baserade system vid extremt låga temperaturer måste man noggrant hantera spänningsreglering och strömtäthet. Effektiv användning av back-gate-spänningsgenererande kretsar gör det möjligt att bibehålla stabilitet och hög prestanda över hela temperaturområdet, vilket är avgörande för tillämpningar som kvantdatorer och andra avancerade elektroniksystem. Temperaturens inverkan på MOSFET:ens rörlighet och transkonduktans är också en nyckelfaktor som inte bara påverkar enskilda komponenter utan också hela systemets effektivitet.
Hur AUXDAC Förbättrar Linjäritet och Kompenserar För Enhetscellsmissmatchningar i DAC-design
Effektiviteten i användningen av AUXDAC beror på att det inte krävs höga stighastigheter eller falltider. Om feedback-DAC:n består av N enhetsceller, där varje cell har en upplösning på BAUX bit, lagras totalt N · BAUX bitar. För att ytterligare optimera prestanda kan den aktuella justeringsområdet dubbleras genom att införa adaptiv body-biasing till pMOS strömkällor via en sekundär AUXDAC. Trots detta kommer det att visas senare att en fullständig kompensation för enhetscellernas missmatchningar, upp till 7%, effektivt uppnås genom att endast kontrollera nMOS-enheten.
Målet med den föreslagna metoden är att fastställa AUXDAC-cirkelparametrarna, inklusive AUXDAC-upplösning BAUX, body-bias fullskalavoltage FSAUX, och AUXDAC LSB-spänning LSBAUX. Prototypen drivs med en VDD = 0,9 V strömförsörjning och är implementerad i en 22 nm FDSOI-teknologi, utan att negativa eller större än 0,9 V försörjningsspänningar krävs. Därmed använder den aktiva RC-integratorn en ingångs- och utgångs-gemensam spänningsnivå på VDD/2 = 0,45 V.
För att maximera den inre DAC-linjäriteten sätts övertrycksspänningen VOV för nMOS- och pMOS-strömkällorna till 400 mV. Följande av [2–6], är DAC:n i denna design konstruerad för att uppnå en inre 60 dBc spurious-free dynamic range (SFDR). Målet är att visa en post-korrigerad prestanda med över 90 dBc SFDR, tack vare den föreslagna aktiva body-bias DAC-kalibreringen.
AUXDAC:s upplösning och noggrannhet behandlas i den följande diskussionen. Det är viktigt att förstå att fokus ligger på att kompensera för relativa DAC-fel snarare än absoluta fel. På så sätt återställs modulators linjäritet, medan en mindre DAC-vinstfel tillåts, vilket påverkar modulators maximala signalamplitud (MSA) marginellt. Den föreslagna feedback-DAC-linjäriseringsstrategin syftar till att uppnå ett värsta fall (minimalt) post-korrigerat SFDR på 90 dBc, vilket säkerställer önskad linjäritet i modulatorn.
I [7] härleds relationen mellan DAC-integral nonlinearity (INL) och den spektrala SFDR med följande formel:
där B representerar DAC-upplösningen och INLMAX den värsta integral nonlinearity. Det bör noteras att i multi-bit Sigma-Delta-modulatorer överstiger linjäritetsmålet (90 dBc) den interna bitbredden avsevärt. Denna design har en intern bitbredd på 5 bit. Med tanke på målet på 90 dBc SFDR är en post-korrigerad 0,1% maximal INL tolerabel för feedback-DAC:n. Här beaktas endast slumpmässiga enhetscellsmissmatchningar, och deterministiska fel som gradienter försummas.
För att förstå relationen mellan INL och den normaliserade standardavvikelsen av DAC-enhetscellsmissmatchningar, etableras en formel av författarna i [8, 9]:
där CI är konfidensintervallet (CI = 3 antas här), och σU är standardavvikelsen för missmatchen hos enhetsceller. Till exempel kräver en 10 μA LSB-enhetscellström en strikt matchningstolerans på ±3 nA (±3σU).
FD-SOI-processen möjliggör aktiv kontroll av den inverterade nMOS-baksidan, vilket ger precis reglering av drainströmmen genom:
Här representerar β transistorens lutningsparameter, och VBB den aktivt kontrollerade nMOS bulk-source-spänningen. Med en back-gate känslighet på 72 mV/V, minskar användningen av en 1V bulk-source-spänning för transistor N1 dess tröskelspänning med 72 mV och ökar dess drainström. Både nMOS N1 och pMOS P1 bidrar till den differensierade strömmissmatchningen, beskriven av:
Därmed måste fullskalavoltage och upplösning av AUXDAC konfigureras för att kompensera för missmatchbidragen från både P1 och N1.
För att uppnå linjäritet på 15 bit behövs en mycket noggrann styrning av back-gate-spänningen, vilket ger kontroll på nanoampere-nivå. För att uppnå detta krävs att AUXDAC LSB-spänningen är ≤ 1,2 mV.
Den valda AUXDAC-upplösningen BAUX måste vara minst 8 bit för att säkerställa att AUXDAC kan justera nMOS body-bias-spänningen noggrant för att kompensera för missmatchningar i strömkällorna. AUXDAC-fullskalavoltage FSAUX, som är kritiskt för att justera DAC:n till 15 bitars linjäritet, bör vara minst 300 mV.
Genom att konfigurera AUXDAC korrekt och noggrant justera nMOS-body-bias kan DAC:ns linjäritet förbättras utan att behöva öka transistorområdet, vilket annars skulle medföra betydande kostnader.
Hur justering av Vth påverkar förstärkningen i mmW-förstärkare med bulk-biasing
Att justera tröskelspänningen är en central metod för att finjustera förstärkningen i mikrovågförstärkare. Genom att utnyttja känsligheten hos kan man genom att ändra bakgrunden (back-gate) justera förstärkarens beteende, vilket i sin tur gör det möjligt att styra förstärkarens förstärkning () och därmed dess vinst. Detta är särskilt användbart när vi arbetar med högpresterande mmW-förstärkare, där en finjustering av både vinst och linjäritet är avgörande för att uppnå optimala systemegenskaper. I praktiken kan det att sätta ett direkt bias-spänning på aktiva enheter till ett fast driftspunkt möjliggöra användningen av -beroendet för att styra , vilket därmed påverkar förstärkningen på ett kontrollerat sätt.
I simuleringarna visas hur förstärkningen i en enstegs-förstärkare varierar beroende på den direkta bias-spänningen för olika bakgrundsspänningar . För att upprätthålla en konstant förstärkning har de första och fjärde stegen bias-spänningen valts, medan den andra och tredje stegen har inställts till . Genom att variera mellan 0 och 2V kan man uppnå en kontrollspannvidd för förstärkningen på cirka 5 dB. I prototypen genereras dessa bias-spänningar utanför chipet, men för att säkerställa robusthet mot variationer i process, spänning och temperatur (PVT) måste de senare genereras med hjälp av en strömmirror som matas med en referensström.
Mätningar av den realiserade prototypen visade att den uppmätta toppförstärkningen varierade mellan 9 och 18 dB beroende på inställningarna av gainkontrollen, samtidigt som 3 dB-bandbredden förblev oförändrad på cirka 11 GHz. Vidare påverkades inte S-parameterarna märkbart av förändringen i förstärkning, med skillnader på mindre än 1 dB.
I samband med den icke-linjära analysen mättes kompressionspunkten . När bakgrundsspänningen minskades, reducerades toppförstärkningen medan den input-refererade kompressionspunkten ökade. Detta ledde till att den output-refererade kompressionspunkten förblev nästan konstant med en degradering på mindre än 1 dB, vilket bekräftade att den icke-linjära beroendet av förstärkningen minskade avsevärt.
När det gäller brusfigur (NF) visade mätningar att NF förblev relativt konstant, med en ökning på 1,5 till 2 dB mellan maximal och minimal förstärkning. Mätningarna genomfördes med hjälp av ett tuner-baserat bruselementsystem som utnyttjar cold-source-tekniken, vilket är effektivt för att hantera de osäkerheter som vanligtvis förekommer vid D-band mätningar. Vid högsta förstärkning var NF 7,9 dB, medan den vid lägsta förstärkning låg på cirka 9,5 dB. Genom att simulera och analysera varje steg av förstärkaren vid 150 GHz kunde man noggrant beskriva den observerade brusfiguren och dess beroende av förstärkningen.
En viktig aspekt av systemets prestanda är dess strömförbrukning. Genom att justera driftspunkterna för de andra stegen minskades strömförbrukningen avsevärt vid lägre förstärkning. Från toppförstärkning till lägsta gain minskade strömförbrukningen med cirka 36%, vilket innebär att en sådan förstärkning kan användas för att skapa ett viloläge och därmed förbättra systemets effektivitet.
För att summera, är den variabla förstärkningen via bulk-biasing ett kraftfullt verktyg i utvecklingen av millimetervågssystem, eftersom den inte bara tillåter en precis kontroll av förstärkningen utan också bidrar till en förbättrad linjäritet och minskad icke-linjär förvrängning. Genom att implementera och optimera sådana tekniker kan man inte bara förbättra systemets prestanda utan även minska dess strömförbrukning och förbättra robustheten mot temperatur- och processvariationer.