Hur fungerar bak-gate återkoppling i förstärkare och vilken påverkan har den på deras prestanda?

Den bakre gate-spänningen (Vbs) spelar en avgörande roll i vissa moderna transistortekniker, särskilt i Full-Duplex SOI (FD-SOI) transistorer. Genom att manipulera denna spänning kan man påverka tröskelspänningen för en transistor och därigenom förbättra eller justera dess prestanda för olika applikationer. I den här artikeln analyserar vi bak-gate återkoppling i gemensam källförstärkare och hur den kan användas för att förbättra förstärkarens linjäritet, minska oönskad variation och ge nya designmöjligheter.

En viktig aspekt av bak-gate feedback är att den kan påverka småsignalad beteenden på ett sätt som liknar hur front-gaten (Vgs) påverkar kanalen genom småsignalstranskonduktansen gm. På samma sätt kan bak-gaten kontrolleras genom bak-gate transkonduktans gmb. Om man omformulerar grundformeln för att uttrycka bak-gate-spänningen som en modifierare på front-gate-spänningen, får vi ett mer insiktsfullt sätt att modellera den lilla signalens beteende.

Ett intressant resultat av bak-gate feedback är att det möjliggör nya designmöjligheter. I traditionella bulkteknologier är det inte praktiskt att använda bak-gate feedback, men i FD-SOI-teknologi kan denna funktion utnyttjas för att skapa bättre förstärkare, filter och även för att hantera självintersferens i trådlösa system. I full-duplex trådlösa system kan man till exempel använda bak-gate feedback för att dämpa överföringssignalen vid LNA-ingången utan att tillföra extra brus, vilket inte är möjligt i bulkteknologier.

När det gäller linjärisering och förbättrad förhållande mellan signal och störning kan bak-gate feedback hjälpa till att reducera distorsion och ge ett renare utsignalresultat. Till exempel, i operationsförstärkare kan bak-gate transkonduktans injicera en gemensam mod-feedback utan att lägga till extra last till enheten. Dessutom, genom att använda bak-gate feedback kan man implementera linjäriseringstekniker genom att använda negativ återkoppling för att avbryta eventuella icke-linjära beteenden i förstärkarens transkonduktans.

För att verkligen förstå fördelarna med bak-gate feedback är det nödvändigt att analysera förstärkarens prestanda med och utan denna feedback. Till exempel, i en gemensam källförstärkare som använder bak-gate återkoppling, får vi en högre sluten slinganvinst $A_{cl} = \frac{1}{1 + \gamma a_0}$ jämfört med en konventionell förstärkare utan sådan feedback. Detta leder till en mer effektiv användning av transistorns kanal och minskar förlusten i signalbehandlingen.

För att jämföra den bak-gate-baserade förstärkaren med en konventionell, används ett modell jämförelse där båda förstärkarna har samma ingångstransistorer men där bak-gate förstärkaren utnyttjar en negativ återkoppling från bak-gaten som inte finns i den konventionella designen. Denna skillnad i design gör att bak-gate förstärkaren kan uppvisa högre stabilitet och förbättrad linjäritet vid låg frekvens, vilket ger stora fördelar i applikationer som kräver låg strömförbrukning och hög precision.

Den bak-gate återkopplingens unika fördelar kan inte övervärderas. Den möjliggör en finjustering av transistorens prestanda genom att påverka både tröskelspänningen och småsignalstranskonduktansen utan att lägga till extra komponenter till kretsen. Den här tekniken är särskilt användbar i analoga kretsar och RF-applikationer, där varje liten förbättring i linjäritet och signalstyrka kan ha stor påverkan på den övergripande effektiviteten och prestandan i systemen.

Hur man optimerar prestanda och temperaturintervall för differentialförstärkare i CMOS-teknik

För att maximera prestanda och optimera temperaturintervallet i differentialförstärkare använder man specifika designval. Ett centralt val för att uppnå maximal vinst är användningen av transistorer med en gate-längd som är cirka 10 gånger längre än den minimala gate-längd som tillåts av teknologinoden. Denna strategi innebär ett val av driftpunkt för den differentierade paret, där man biaserar transistorerna för att uppnå maximal gm/IDS. Emellertid innebär detta ett avkall på bandbredden, eftersom längre gates och den små drainströmmen som krävs för hög gm/IDS minskar både gm och fT.

En alternativ metod är att välja en lägre gm/IDS-ratio för att öka GBW (Gain-Bandwidth Product) på bekostnad av låg-frekvensvinsten och effektförbrukningen. Designen fortsätter sedan genom att lägga till ett andra steg och Miller-kompensation för att säkerställa önskad fasmarginal. Eftersom gm/IDS-ration endast beror på bias-strömtätheten och förblir konstant när gate-bredden i de olika transistorerna skaleras på samma sätt, bestäms slutgiltig gate-bredd och bias-ström för transistorerna i det differentierade paret baserat på den önskade slew-rate och den ström som krävs för att driva den specificerade belastningsimpedansen.

En viktig aspekt är tillgången till back-gate, vilket möjliggör optimerad design av differentialpar över ett mycket bredare temperaturintervall än vad som skulle vara möjligt med bulk-CMOS och FinFET CMOS-teknologier. Om gm/IDS-dependensen av strömtätheten är känd genom mätningar, är det möjligt att designa differentialsteg med optimal prestanda vid vilken temperatur som helst, även i avsaknad av exakt designkit-modeller som är giltiga för dessa temperaturintervall. Detta är särskilt relevant för designers av cryogeniska kontroll- och avläsningskretsar för kvantdatorer.

I ett testbänks-schema för en grundläggande differential-pair med current-mirror-last och differential-till-single-ended konvertering, kan transistorerna vara ganska stora, vilket är lämpligt för typiska AMS-applikationer. I simuleringar med 22-nm FDSOI-teknik undersöks hur resultatet varierar med tail current density och gate-längd (L = 18 nm, 32 nm, 75 nm, 150 nm och 180 nm). Gate-bredden (Wfp) för p-MOSFET:erna är 980 nm, medan Wfn för n-MOSFET:erna är 720 nm. Alla transistorer har samma gate-längd för enkelhetens skull, men metoden kan även tillämpas om p-MOSFET:erna har en annan gate-längd än n-MOSFET:erna.

För att säkerställa att alla transistorer i differentialsteget fungerar korrekt och matchat över ett brett temperaturintervall, krävs att både transistorerna i replika-bias-kretsen och de i differentialparet har samma gate-längd, gate-bredd och ett liknande antal gate-fingrar samt aktiv area. Om superlåga Vt (slvt) enheter används för att täcka hela området av strömtätheter och temperaturintervall, kan det vara nödvändigt att koppla p-substratet till en negativ spänningskälla vid strömtätheter under 0,1 mA/μm och vid cryogeniska temperaturer för att förhindra att dioden mellan n-well och p-substrat slår på.

I simuleringar av låg-frekvens-vinst och GBW vid 65 °C och L = 180 nm, visar resultaten att den lågfrekventa spänningsvinsten (Av) är 42 dB vid 1 MHz och att den högsta GBW uppnås vid en tail current density på 0,129 mA/μm. Simuleringarna visar även att den högsta GBW på 360 GHz uppnås vid L = 38 nm, och att en lätt minskning av GBW till 350 GHz observeras vid L = 18 nm. Detta innebär att minskad gate-längd leder till högre GBW, men också till en minskning av den lågfrekventa vinsten.

Det är också viktigt att notera att den högsta GBW nås vid kortare gate-längder (som 38 nm) medan den lägre GBW påträffas vid längre gate-längder (som 180 nm). Vid extremt låga temperaturer (som −75 °C) är GBW-värdena högre än vid rumstemperatur, vilket visar att prestandan förbättras i kalla miljöer. För att kunna utnyttja dessa fördelar fullt ut i praktiska tillämpningar är det också viktigt att förstå hur temperaturförändringar påverkar strömtäthet och hur de resulterande förändringarna påverkar de specifika kraftegenskaperna hos MOSFET:erna och deras optimala bias-inställningar.

Hur kryogena temperaturer och FDSOI-teknologi förbättrar prestandan för kvantdatorer och högfrekventa tillämpningar

För att uppnå maximal prestanda i kvantdatorer och andra högfrekventa applikationer, är det avgörande att förstå de tekniska fördelarna som kan uppnås genom att använda kryogena temperaturer och FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) MOSFETs. Genom att utnyttja den unika egenskapen hos FDSOI-teknologin kan man optimera en rad olika parametrar som är centrala för att utveckla högfrekventa kretsar med låg strömförbrukning och hög noggrannhet.

FDSOI MOSFETs, särskilt i sin 22 nm teknologi, erbjuder en utmärkt möjlighet att förbättra både analog och digital prestanda, särskilt när de används i extremt låga temperaturer, som de som krävs för kvantdatorer. Genom att kombinera dessa enheter med cryogeniska miljöer, där temperaturen kan sjunka till så lågt som 2 K, kan man uppnå en betydande reduktion av jitter och felrate. Detta är av avgörande betydelse för kvantdatorer där precision och stabilitet är nödvändiga för att upprätthålla den korrekta tillståndsberäkningen.

Kombinationen av FDSOI-teknologi och cryogeniska temperaturer har visat sig vara särskilt fördelaktig vid användning inom radar, fiberoptik och radiokommunikation. FDSOI MOSFETs erbjuder möjlighet till finjustering via bakgate-spänning, vilket ger högre kontroll över kretsarnas egenskaper under varierande temperaturförhållanden. Detta är en avgörande faktor, då de flesta konventionella halvledarteknologier inte har samma möjlighet att upprätthålla stabilitet över ett så brett temperaturområde, från 2 K till 400 K.

Vid användning av FDSOI-teknologi för kvantdatorer är det också viktigt att beakta hur dessa enheter fungerar under mycket låga temperaturer. Vid sådana temperaturer är elektronernas rörelse och överföring mycket mer känsliga för variationer i spänning och andra elektriska egenskaper. Därför måste både designen och algoritmerna för dessa system beakta de förändringar som sker på elektronisk nivå när temperaturen förändras.

Att använda FDSOI-teknologi i detta sammanhang möjliggör också utveckling av nya, avancerade algoritmer som kan anpassa sig till de dynamiska förändringarna i enhetens prestanda vid olika temperaturer. Till exempel, genom att justera bakgate-spänningen kan man optimera kretsens prestanda i realtid, vilket gör systemet mer flexibelt och kapabelt att hantera de specifika krav som ställs på kvantdatorer och högfrekventa kommunikationssystem.

För att ytterligare förbättra prestandan kan designers använda olika tekniker för att minska källor till brus och störningar, vilket är särskilt viktigt i kvantdatorer där varje liten störning kan leda till förlorad information. En metod för att minimera dessa effekter är att arbeta med lågrarefrekventa störningar och noggrant kalibrera systemet för att hålla alla parametrar inom de önskade toleranserna.

För att kunna utnyttja dessa teknologier till fullo behöver utvecklare och forskare också fokusera på de ytterligare tekniska fördelarna med FDSOI MOSFETs. Dessa enheter tillåter fördelaktig hantering av kortslutningsströmmar och andra fysiska effekter som ofta begränsar prestandan hos vanliga bulk CMOS-teknologier vid höga frekvenser eller under extremt låga temperaturer. Genom att implementera avancerad signalbehandling och justering av elektronernas hastighet kan man maximera effektiviteten hos dessa enheter för specifika tillämpningar, som till exempel i kvantdatorer där varje element i systemet måste vara optimerat för att hantera kvantmekaniska fenomen.

Hur kan linjäriseringstekniker för DACs förbättra precisionen i signalbehandling?

I komplexa signalbehandlingssystem, som de som används i högpresterande radarnätverk eller kommunikationssystem, är linjäriteten hos digital-till-analog-omvandlare (DAC) avgörande för att säkerställa att signalen bearbetas korrekt utan att införa betydande fel eller distorsioner. I dessa system är DAC:er ofta en central komponent som konverterar digitala signaler till analoga för vidare behandling. När processvariationer påverkar de olika enhetsströmmarna i en DAC, kan detta leda till icke-linjära beteenden som försämrar systemets prestanda.

I multi-bit DAC:er, där enheten består av flera strömkällor (enheter för att generera elektriska strömmar), uppstår dessa variationer på grund av små skillnader i tillverkningen. Varje strömkälla, som motsvarar en viss vikt eller enhetsström, kan visa sig ha något olika värden på grund av lokala processvariationer. Resultatet blir en icke-linjär överföringsfunktion som kan leda till felaktig signalbehandling och nedsatt noggrannhet i hela systemet.

För att hantera dessa problem utvecklas tekniker för att kompensera för och korrigera sådana avvikelser. Ett exempel är användningen av en termometerkodad DAC, där varje enhet har en specifik vikt och de lägre bitarna byts ut vid övergångar för att säkerställa smidiga signalövergångar och minimera glitchar, särskilt vid mittpunkten av kodintervallet. Trots detta finns det alltid en risk för att det faktiskt finns avvikelser från det nominella referensvärdet för varje enhet, vilket resulterar i icke-linjäritet.

För att ytterligare förbättra DAC:ens linjäritet föreslås aktiv backgate-linjäritetskompensering. Denna metod innebär att varje enhet i DAC:en har ett extra DAC-system (kallat AUXDAC) som gör det möjligt att justera varje enhets vikt individuellt. Dessa AUXDAC:er kan justeras antingen vid uppstart eller regelbundet under systemets drift för att eliminera de statiska fel som kan uppstå. Genom att justera varje enhet individuellt kan man eliminera skillnaderna mellan de nominella och faktiska enhetsströmmarna, vilket leder till förbättrad linjäritet och minskad distorsion i de omvandlade signalerna.

När det gäller implementering av dessa tekniker spelar också designen av själva DAC-enheten en viktig roll. En push-pull-strömkälla, där nMOS- och pMOS-enheter används för att generera ström, kan ge fördelar när det gäller att exakt styra strömmen och därigenom uppnå bättre linjäritet. Genom att skapa en sådan struktur inom en nWell- eller pWell-konfiguration kan man finjustera strömmarna utan att påverka DAC:ens dynamiska prestanda, såsom bandbredd eller stabilitet i den integrerade feedback-loopen.

Vid högre prestanda, där exempelvis hastigheter på upp till 200 GS/s behövs, är varje minsta avvikelse från de teoretiska DAC-värdena mycket viktig. Därför är användningen av tekniker som aktiv backgate-linjäritetskompensering särskilt viktig för att bibehålla noggrannheten i systemen, även när de arbetar på extremt höga hastigheter. I praktiken kan dessa justeringar säkerställa att de analoga signalerna som genereras från den digitala koden är tillräckligt noggranna för att användas i högprecisionstillämpningar som OFDM-radar eller optisk koherent kommunikation.

För att sammanfatta, kan vi se att när man designar DAC:er för högpresterande tillämpningar där precision är avgörande, måste man beakta processvariationer och implementera mekanismer för att korrigera dessa fel. Linjäritet är inte bara en fråga om enhetskomponenternas precisa tillverkning utan också om att kunna justera och kalibrera systemet under drift för att eliminera de effekter av icke-linjäritet som kan uppstå. Med rätt tekniker och designval kan man säkerställa att dessa system fungerar med maximal precision även under de mest utmanande förhållandena.

Hur kan stark kroppsbiasing förbättra bandbredd och linjäritet i T&H-förstärkare?

T&H-förstärkare (track-and-hold amplifiers) är centrala komponenter inom många avancerade kommunikationssystem och mätinstrument, där hög linjäritet och bandbredd är avgörande för att säkerställa noggranna signaler i realtidsmätningar. De senaste framstegen inom denna teknik inkluderar implementeringen av kroppsbiasing, ett kraftfullt verktyg för att förbättra både linjäritet och bandbredd i dessa förstärkare. Detta avsnitt utforskar de teoretiska och praktiska fördelarna med att använda stark kroppsbiasing i T&H-amplifier.

En av de största utmaningarna inom designen av T&H-förstärkare är att förbättra deras bandbredd utan att kompromissa med linjäriteten. Traditionellt sett är T&H-förstärkare begränsade av deras omslagshastighet och förmåga att hålla signalerna över ett brett frekvensspektra utan att införa allvarliga distorsioner. För att öka bandbredden i dessa enheter används olika tekniska lösningar, men en av de mest lovande är användningen av kroppsbiasing. Genom att justera den spänning som appliceras på kroppslageret i transistorernas struktur kan man kontrollera både deras läckström och deras linjäritet vid olika frekvenser.

Genom att applicera en framåt kroppsbiasing i provtagarswitcharna inom T&H-förstärkaren kan bandbredden ökas med mer än 10%. Denna metod leder också till en signifikant förbättring i linjäriteten, med en ökning på upp till 1 dB vid frekvenser över 2.5 GHz. Detta uppnås genom att utnyttja den starka påverkan som kroppsbiasing har på både resistansen hos avstängda transistorer och deras förmåga att reagera snabbt på signaler. Vid förhöjda negativa spänningar (över -1.5V) kan dock linjäriteten börja försämras, då avstängningsresistansen minskar och orsakar oönskade effekter på signalen.

Den linjära förbättringen genom kroppsbiasing innebär inte bara en ren ökning av bandbredden utan också en ökning av signal-til-brusförhållandet (SNR) och den totala dynamiska intervallen (SFDR) i T&H-amplifiern. I experimentella resultat har en SNR-förbättring på upp till 0.35 dB uppnåtts, vilket gör det möjligt för systemet att hantera högre frekvenser med mindre signalbortfall.

Det är också viktigt att förstå de utmaningar som kvarstår vid användning av dessa teknologier. En av de största är att hantera mismatcher mellan kanaler och temporära förskjutningar som kan orsaka frekvensspurs och förvrängning i den slutliga signalen. För att hantera detta krävs noggrann kalibrering och korrigering av offset, gain och samplingfas för att minimera dessa störningar. Vid höga hastigheter och frekvenser är också klockjitter en kritisk parameter, även om simuleringar visar att detta inte är en begränsande faktor vid de testade frekvenserna.

Sammanfattningsvis, genom att integrera avancerad kroppsbiasing och optimera de elektriska parametrarna i T&H-förstärkare, kan betydande förbättringar uppnås både när det gäller linjäritet och bandbredd. Dessa framsteg representerar ett viktigt steg framåt för nästa generation av högpresterande RF- och mikrovågssystem. Men det är också avgörande att förstå och hantera de finare detaljerna av den dynamiska och statiska justeringen av kroppsbiasing för att maximera de positiva effekterna på systemets prestanda.