Н. М. ЖИДКОВ

Научный руководитель – Н. А. УСАЧЕВ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СХЕМ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ СВЧ-ДИАПАЗОНА, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО КМОП КНИ технологии

Представлены результаты сравнительного анализа типовых схем построения монолитных усилителей мощности с диапазоном рабочих частот до 5 ГГц, спроектированных по КМОП технологии «кремний-на-изоляторе» (КНИ) с проектной нормой 0,18 мкм.

Усилители мощности (УМ) являются базовыми функциональными блоками передающих трактов, в том числе интегральных [1]. Преимуществами КМОП КНИ технологии в сравнении с объемной КМОП технологией являются более высокие граничные частоты МОП-транзисторов, меньшая потребляемая мощность, отсутствие тиристорного эффекта [2-3]. Основными параметрами УМ в диапазоне рабочих частот (ДF) являются коэффициент усиления (Ку), выходная мощность (Рвых), определяемая на согласованной нагрузке (50 Ом), потребляемая мощность (Рпотр) [1].

Целью сравнительного анализа являлся обоснованный выбор схемы построения УМ класса «А» с ДF до 5 ГГц, Ку более 10 дБ и Рвых более 10 дБм для реализации по КМОП КНИ технологии. Для исследований выбраны две наиболее распространенные схемы: двухкаскадная и четырехкаскадная распределенная [1-4], показанные на рис. 1.

Схемотехническое моделирование проводилось в САПР Keysight Advanced Design System.

а)

б)

Рис. 1. Электрические схемы двухкаскадного сосредоточенного (а) и четырехкаскадного распределенного (б) УМ

Расчетные зависимости Ку от частоты и Рвых от уровня входной мощности на частоте 3 ГГц показаны на рис 2, основные параметры приведены в таблице.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

а)

б)

Рис. 2. Зависимости Ку от частоты (а), Рвых от входной мощности (б)

Таблица – Сравнение параметров монолитных КМОП КНИ УМ

Параметр

Данная работа*

Аналоги-прототипы

Двухкаскад-ная схема

Четырехкас-кадная схема

[2], Двухкаскад-ная схема

[3], Четырехкас-кадная схема

[4]***, Каскодная схема

Проектная норма

0,18 мкм

0,5 мкм

0,35 мкм

0,18 мкм

ДF, ГГц

0,1…5,3

0,1…6,3

0,9

0,05…6,3

3,0…7,5

Ку, дБ

30,0…10,0

10,0…12,0

9,9

5,1…6,5

9,0…13,0

Рвых, дБм

12,6**

12,0**

22,0

20,0

>0

Рпотр, мВт

65

83

230

50

15

Uпит, В

1,8

1,8

1,8

3,0

1,8

* - представлены результаты схемотехнического моделирования; ** - при компрессии амплитудной характеристики 1 дБ; *** - объемная КМОП технология.

Установлено, что четырехкаскадный распределенный УМ позволяет обеспечить большую ДF (в 1,2 раза) при существенно лучшей неравномерности Ку (не более 2 дБ) и меньшем абсолютном значении Ку по сравнению с двухкаскадной схемой.

К существенным недостаткам распределенного УМ следует отнести прогнозируемые более высокую чувствительность параметров к влиянию паразитных элементов топологии и большую площадь, занимаемую на кристалле из-за необходимости применения значительного количества согласующих индуктивностей и конденсаторов. Таким образом, для дальнейших исследований и разработки топологии была выбрана двухкаскадная схема УМ, лишенная вышеперечисленных недостатков.

Список литературы

1. M. M. Hella, M. Ismail RF CMOS power amplifiers. Theory, design and implementation / Kluwer, -2002, -111 p.

2. D. Ngo, W. M. Huang, J. M. Ford, D. Spooner Power amplifiers on thin-film-silicon-on-insulator (TFSOI) technology / 1999 IEEE Int. SOI conf., -1999, - pp.133-134.

3. A Low-Power DC-7-GHZ SOI CMOS Distributed Amplifier / Zencir E. et al. / ISCAS-2004, -2004, - pp. 605-608.

4. A 3.0-7.5 GHz CMOS UWB PA for group 1~3 MB OFDM application using current-reused and shunt-shunt feedback / S. A. Z. Murad et al. / WCSP-2009, -2009, - pp. 1-4.