Hur påverkar bakgate-feedback prestanda i förstärkare med Common-Source-konfiguration?

En av de viktigaste aspekterna av bakgate-feedback är dess förmåga att minska effekterna av mismatch i förstärkarens återkopplingsfaktor. Vid analys av dessa variationer ser vi att även små variationer i öppenvinst $a_0$ och bakgate-styrka $\gamma$ kan påverka den slutna loopvinst $A_{cl}$. Förstärkare med bakgate-feedback dämpar dessa variationer mer effektivt än vanliga förstärkare med frontgate-feedback. Detta beror på att den bakre återkopplingen minskar mismatchen av feedbackfaktorn, vilket gör att denna typ av förstärkare bibehåller en högre och mer stabil vinst.

Det är också viktigt att förstå att bakgate-feedback inte bara förbättrar hanteringen av mismatch, utan även linjäriteten hos förstärkaren. I typiska negativa feedbacksystem dämpar hög loopvinst spänningssvängningar vid ingången, vilket förbättrar linjäriteten. För förstärkare med bakgate-feedback sker denna linjärisering inte genom att minska spänningen på en fysisk node utan genom att den effektiva frontgate-source-spänningen $V_{gs} + \gamma V_{bs}$ attenueras, vilket ger en betydande förbättring av linjäriteten i den slutna loopen.

$$\gamma_{bulk} = - \frac{dV_{th}}{dV_{bs}} = \frac{C_{js}}{C_{ox}}$$

$$V_{th} = V_{th0} + k \left( 2\phi_f - V_{bs} - \sqrt{2\phi_f} \right)$$

I en sådan konfiguration, där kroppens spänning är kopplad till utgången, skulle kroppsåterkoppling i bulkteknologi inte ge samma fördelar i termer av linjäritet och förbättrad mismatch som i FD-SOI. Det är också viktigt att förstå att denna typ av återkoppling kan leda till komplexare kretsar och potentiella begränsningar i de tillgängliga spänningsområdena för denna teknik.

När man ser på tillämpningar som kräver hög precision i förstärkning och linjäritet är det värt att notera att även om bulkteknologi erbjuder vissa möjligheter för kroppsåterkoppling, är det svårt att uppnå samma nivå av effektivitet och prestanda som i FD-SOI. Det skulle vara mer fördelaktigt att använda de specifika egenskaper som FD-SOI erbjuder, som ultratunna begravda oxider och en starkare kontroll över bakgrundsspänningen.

Hur kan aktiva bakgate-linjäriseringstekniker förbättra transkonduktansen?

Transkonduktans (Gm) i en transistor är en grundläggande parameter som beskriver hur effektivt en transistor kan omvandla en ingångsspänning till en utgångsströmsvariation. I vissa elektroniska kretsar, särskilt i förstärkare, krävs linjäritet i transkonduktansen för att säkerställa att signalen inte förvrängs under bearbetningen. En av de mest effektiva teknikerna för att uppnå linjäritet är användningen av aktiv bakgate-linjärisering, där spänningen på bakgate är en viktig parameter.

I teorin kan transkonduktansen beskrivas av en funktion av ingångsspänningen (Vin), där gm0 representerar transkonduktansen vid noll volt ingångsspänning. Vid högre ingångsspänningar blir emellertid funktionens icke-linjäritet mer framträdande. För att hantera denna icke-linjäritet, kan bakgate-linjärisering implementeras genom att justera bakgate-spänningen (VBB) för att kompensera för de icke-linjära effekterna i transkonduktansen.

Ekvationerna som definierar denna teknik ser ut som följer:

$$gmF = gm0(1 - \alpha V_{in}^2)$$ $$AB = AB0(1 - \beta V_{in}^2)$$

Vid analysen av detta system får man en total Gm genom att subtrahera bidraget från både front- och bakgate:

$$Gm = gmF - AB \cdot gmB = gm0(1 - AB \cdot \gamma)(1 - \alpha V_{in}^2)$$

När man analyserar denna teknik med hjälp av kvadratiska polynom (square law), kan man använda transistorernas lagar för att modellera förändringar i tröskelspänningen (VTH) och hur dessa påverkar transkonduktansen. Om vi använder transistorernas kvadratiska ekvationer, får vi uttryck som relaterar bakgate-spänningen (VBB) till förändringar i tröskelspänningen.

För att förbättra linjäriteten ytterligare, kan man tillämpa en differential koppling i kretsen, där bakgate-funktionen (AB) och frontgate-funktionen (gmF) bidrar till att justera och balansera icke-linjäritet i systemet. Genom att använda denna metod kan man minska förlusten i transkonduktansen och bibehålla en effektiv förstärkning även vid högre ingångsspänningar. Denna teknik, där bakgate-förstärkare används tillsammans med en lastresistor (RL) för att sätta förstärkningen, ger en kontrollerad linjäritet och undviker överdriven förvrängning av signalen.

Den större förståelsen av denna teknik innebär att man inte bara ser på ekvationerna för transkonduktans utan även beaktar hur dessa koefficienter och deras interaktioner påverkar hela systemets beteende. Förstärkaren måste vara noggrant designad för att säkerställa att alla komponenter i systemet arbetar i symbios för att uppnå högsta möjliga linjäritet. Vidare är det viktigt att förstå att även en svag icke-linjäritet är nödvändig för att uppnå den funktionalitet som krävs för att systemet ska fungera korrekt och stabilt över hela det önskade spänningsintervallet.

Hur man optimerar effektförstärkning och linjära nätverksdesign i höghastighetskretsar för mm-vågor

Vid design av moderna förstärkare och högfrekventa kretsar, såsom de som arbetar i mm-vågsområdet, är det avgörande att maximera de olika prestandaindikatorerna, såsom effektförstärkning, effektverkningsgrad och bandbredd. Ett av de mest använda koncepten är att optimera klass-F eller klass-AB PA (effektförstärkare) för att hantera de specifika kraven för frekvenser som sträcker sig från några gigahertz upp till 160 GHz. Ett exempel på detta är att beräkna värden för komponenter såsom Cgs, Cgd, och Cdb i samband med deras kapacitans och induktans, samt deras inflytande på systemets övergripande prestanda.

När vi övergår till att räkna ut komponentvärden som Cgs (gate-source kapacitans) och Cgd (gate-drain kapacitans), används specifika parametrar för transistorer som kan beräknas med hjälp av deras bredd (W) och andra designade mått, t.ex. Cgs = W * 0.75 fF/μm och Cgd = W * 0.35 fF/μm. Dessa beräkningar gör det möjligt att bestämma den optimala kapacitansen för ett system som fungerar vid höga frekvenser som 28 GHz eller till och med upp till 160 GHz i radar- och kommunikationssystem.

För att upprätthålla en hög effektförstärkning och samtidig bibehålla linjäritet, krävs det att de valda transistorerna arbetar under optimala förhållanden. I det specifika exemplet där en stackad, differential PA designas för en klass-AB förstärkare med en spänning på 2,4 V och en effekt på 100 mW vid 60 GHz, får man fram specifika värden för både ström och kapacitans genom att utnyttja transistorns karaktäristika. Till exempel innebär detta att man bestämmer W baserat på de uppmätta maximala strömvärdena, vilket gör att man kan optimera både effektivitet och prestanda i den slutgiltiga designen.

En annan väsentlig aspekt i designen är användningen av backgate-spänningar och hur dessa påverkar signalens linjäritet och effektverkningsgrad. I både LNA och PA-steg är det viktigt att förstå hur en justering av backgate-spänningen kan förändra den interna strömfördelningen utan att påverka de övergripande parametrarna som ingångsimpedans och RF-bandbredd. Detta gör det möjligt att finjustera för att uppnå önskad förstärkning och linjäritet samtidigt som man bibehåller hög effektivitet.

När man designar för högre frekvenser, som 160 GHz, är det avgörande att förstå effekterna av parasitära element som induktans och kapacitans, samt hur dessa kan manipuleras för att optimera både effektförstärkning och fasstabilitet. Till exempel, i de exempel som illustreras genom simulerade designvärden, ses det att olika kapacitansvärden för Cg2 och Cg3 kan justeras för att uppnå exakt önskade effektnivåer och linjäritet i systemet.

För system som använder till exempel transimpedansförstärkare (TIA) vid fiberoptiska applikationer vid höga baudhastigheter, krävs det en noggrann design av inmatningsstegen för att undvika ökad brusnivå och för att säkerställa hög linjäritet. Vid designen av en TIA vid 80 GBaud och högre baudhastigheter är det inte tillräckligt att bara använda traditionella n-MOSFET eller CMOS-inverteringstekniker. Här måste man använda mer avancerade topologier, som gm-boostad, stackad cascode-struktur, för att uppnå den önskade prestandan. En sådan topologi gör det möjligt att effektivt hantera fotodiodens kapacitans och maximera både linjäritet och bandbredd.

Det är också viktigt att beakta vikten av att använda resistiva delare för att justera spänningen i backgate-kretsarna, vilket gör det möjligt att finjustera strömfördelningen i varje steg utan att påverka ingångsimpedansen eller signalens bandbredd.

För att sammanfatta, den mest effektiva designen för höghastighetskretsar inom mm-vågsområdet bygger på att noggrant balansera och justera komponentvärden som kapacitans, induktans och strömfördelning genom hela systemet. Dessutom måste man vara medveten om hur varje parameter påverkar andra delar av designen, såsom linjäritet, effektförstärkning och brusnivåer. Ju mer man kan optimera dessa element, desto bättre blir systemets prestanda i praktiska tillämpningar som radar- och kommunikationssystem vid mycket höga frekvenser.

Hur kan bulk-drivna referensgenereringstekniker förbättra prestandan hos höghastighets Flash-ADC?

En av de största fördelarna med denna teknik är dess förmåga att minska effektförbrukningen av den kritiska komparatorarrayen och R-laddaren, två av de mest effektkrävande delarna i en Flash-ADC. Genom att använda dedikerade komparatoroffsets som referensnivåer i Flash ADC:n och koppla dessa nivåer till den bakre gaten av förförstärkaren, istället för att använda den klassiska differensförstärkaren (DDA), minskas behovet av en lågimpedans, strömkrävande R-laddare. Denna lösning gör det möjligt att minska den totala strömförbrukningen med upp till 50%, vilket är avgörande för tillämpningar där låg effekt är kritiskt, som inom bärbara eller integrerade system.

För att ytterligare öka effektiviteten har den använda referensgenereringstekniken en off-chip 3V referens som förbrukar endast 450 μW, vilket gör att det totala energibehovet för systemet kan hållas inom mycket strikta gränser. Denna lösning, där referenssignaler till förförstärkaren är kopplade via en bulkdriven teknik, eliminerar det så kallade "kickback"-problemet, vilket annars skulle kräva att R-laddaren är mycket mer komplex och strömkrävande för att kompensera för parasitiska kapaciteter.

Komparatorarrayens och R-laddarens minskade strömförbrukning resulterar inte bara i lägre effektförbrukning utan också i ökad linjäritet och förbättrad noggrannhet i ADC:n. Detta gör att Flash-ADC:n kan uppnå en högre effektiv ADC-bandbredd, vilket gör det möjligt att reducera interleavingfaktorn utan att kompromissa med prestandan. Denna approach gör det också möjligt att implementera ADC:er som fungerar vid högre hastigheter, exempelvis 18.5 GS/s, med en betydligt enklare och mindre energikrävande design.

Det är också viktigt att förstå att bulk-drivna referensgenereringstekniker inte bara förbättrar effektiviteten utan även gör det möjligt att tillämpa mer sofistikerade kalibreringsmetoder. Detta inkluderar referenstrimning och justering av referensnivåerna för att säkerställa en jämnare och mer exakt prestanda över ett brett spektrum av indata. Denna kalibreringsmöjlighet är viktig för att säkerställa stabiliteten och pålitligheten hos ADC:n över tid, vilket är avgörande för tillämpningar inom kommunikation och mätteknik.

Vidare har den här tekniken potential att förändra hur vi designar och implementerar högpresterande ADC:er, särskilt i system där både hastighet och effektförbrukning är kritiska parametrar. Med framtida utvecklingar och optimeringar kan vi förvänta oss ännu mer effektiva lösningar som ytterligare minskar strömförbrukningen utan att ge avkall på prestandan.