采用射頻功率放大器驅(qū)動(dòng)器的無(wú)線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

CMOS驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)功能就是對(duì)輸出方波的脈沖寬度控制，該功能由脈寬調(diào)制(PWM)通過(guò)可變柵偏壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)。PWM控制有助于實(shí)現(xiàn)微調(diào)和調(diào)諧功能，從而提升高級(jí)SMPA器件的性能。緩沖器A和B的第一個(gè)逆變器(M3)的偏置電平可參照該逆變器本身的開(kāi)關(guān)閾值對(duì)RF正弦輸入信號(hào)進(jìn)行上移/下移。偏置電壓的改變將使逆變器M3的輸出脈沖寬度發(fā)生變化。然后，PWM信號(hào)將通過(guò)另外兩個(gè)逆變器M2和M1進(jìn)行傳輸，并在RF驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)(EDMOS)合并。

為確保輸出級(jí)之前的兩個(gè)RF路徑的布局對(duì)稱(chēng)，所有逆變器(從M0到M3)都采用了統(tǒng)一的PMOS-to-NMOS晶體管尺寸比。所有CMOS級(jí)中每個(gè)加寬晶體管(M0級(jí)的總寬度可達(dá)4,032μm)的布局被分割成若干個(gè)單位晶體管布局參數(shù)化單元(P-cell)，并通過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最高頻率。每個(gè)P-cell都包含一個(gè)版圖不對(duì)稱(chēng)的多指晶體管(具有最小柵長(zhǎng))、護(hù)圈和所有與頂層內(nèi)部金屬的互連。每個(gè)晶體管的布局均可充分?jǐn)U展。

此外，該驅(qū)動(dòng)器還包含大尺寸的片上交流耦合和交流退耦平行板交指型金屬邊電容器。電容器Cin與兩個(gè)DC輸入偏壓線路(BIASa,b)一起實(shí)現(xiàn)直流電平位移。使用片上電容器Cout可實(shí)現(xiàn)DC耦合或AC耦合兩種方式的輸出。AC耦合可驅(qū)動(dòng)需要負(fù)柵偏壓的功率晶體管(如GaN)。將四條寬粗的電源線(VSS0,1和VDD0,1)布線于位于兩塊更厚的金屬頂部上的芯片內(nèi)。采用電容器C0、C1、C2和C3對(duì)內(nèi)部電源線進(jìn)行退耦。此外還增加了專(zhuān)用的ESD保護(hù)電路以保護(hù)CMOS芯片。

CMOS驅(qū)動(dòng)器的總體芯片面積為1.99mm2,而工作面積(EDMOS和緩沖器)僅為0.16mm2.將原型裸片安裝于PCB上以便于測(cè)試，并在50Ω的負(fù)載環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。使用高速數(shù)字采樣示波器可捕捉時(shí)域信號(hào)。圖2顯示了在3V、5V、7V和9V的供電電壓下，且輸入正弦波為2.1GHz時(shí)，驅(qū)動(dòng)器DC耦合輸出的時(shí)域波形。在50Ω負(fù)載和9V電源下所測(cè)量的最大擺幅為8.04Vpp.測(cè)量到的驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通電阻低至4.6Ω。圖3顯示了測(cè)量到的脈沖寬度(以占空比表示)控制范圍，以DC偏置電平(即BIASa,b-VSS0,1)的函數(shù)表示。該圖還顯示了不同占空比條件下的兩種時(shí)域波形。在2.4GHz頻率和5V電源下可觀察到占空比控制范圍為30.7%至71.5%.在高達(dá)3.6GHz的頻率下，RF驅(qū)動(dòng)器將其脈沖波形保持為8Vpp.在2.4GHz下進(jìn)行的另一項(xiàng)測(cè)量表明，在5V和9V電源下連續(xù)工作24小時(shí)后，性能并未發(fā)生下降。

圖2:2.1GHz時(shí)，多種電壓下監(jiān)測(cè)到的時(shí)域波形(VDD1- VSS0= 3V, 5V, 7V, 9V)。

圖3:2.4GHz時(shí)測(cè)量到的占空比。

與之前最先進(jìn)的CMOS器件相比，上述驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了更大的輸出電壓擺幅和更高的工作頻率。此外，該CMOS驅(qū)動(dòng)器具有與SiGe-BiCMOS等效電路相近的性能。相比之前所有HV驅(qū)動(dòng)器，本文介紹的芯片具有帶RF控制功能的附加脈沖以提升SMPA系統(tǒng)性能。

本文小結(jié)

本文主要描述了采用1.2V基線65nm CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)8.04Vpp和3.6GHz工作頻率的首款寬帶PWM控制RF SMPA驅(qū)動(dòng)器。該CMOS驅(qū)動(dòng)器連接了數(shù)字CMOS電路與高功率晶體管，可充當(dāng)面向無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的下一代可重新配置多頻多模發(fā)射器的主要構(gòu)建模塊。