采用射頻功率放大器驅動器實現下一代無線系統

CMOS驅動器的另一個功能就是對輸出方波的脈沖寬度控制，該功能由脈寬調制（PWM）通過可變柵偏壓技術實現。PWM控制有助于實現微調和調諧功能，從而提升高級SMPA器件的性能。緩沖器A和B的第一個逆變器（M3）的偏置電平可參照該逆變器本身的開關閾值對RF正弦輸入信號進行上移/下移。偏置電壓的改變將使逆變器M3的輸出脈沖寬度發生變化。然后，PWM信號將通過另外兩個逆變器M2和M1進行傳輸，并在RF驅動器的輸出級（EDMOS）合并。

　　為確保輸出級之前的兩個RF路徑的布局對稱，所有逆變器（從M0到M3）都采用了統一的PMOS-to-NMOS晶體管尺寸比。所有CMOS級中每個加寬晶體管（M0級的總寬度可達4，032μm）的布局被分割成若干個單位晶體管布局參數化單元（P-cell），并通過優化實現最高頻率。每個P-cell都包含一個版圖不對稱的多指晶體管（具有最小柵長）、護圈和所有與頂層內部金屬的互連。每個晶體管的布局均可充分擴展。

　　此外，該驅動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DC輸入偏壓線路（BIASa，b）一起實現直流電平位移。使用片上電容器Cout可實現DC耦合或AC耦合兩種方式的輸出。AC耦合可驅動需要負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。采用電容器C0、C1、C2和C3對內部電源線進行退耦。此外還增加了專用的ESD保護電路以保護CMOS芯片。

　　CMOS驅動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上以便于測試，并在50Ω的負載環境下進行測量。使用高速數字采樣示波器可捕捉時域信號。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，驅動器DC耦合輸出的時域波形。在50Ω負載和9V電源下所測量的最大擺幅為8.04Vpp.測量到的驅動器導通電阻低至4.6Ω。圖3顯示了測量到的脈沖寬度（以占空比表示）控制范圍，以DC偏置電平（即BIASa，b-VSS0，1）的函數表示。該圖還顯示了不同占空比條件下的兩種時域波形。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3.6GHz的頻率下，RF驅動器將其脈沖波形保持為8Vpp.在2.4GHz下進行的另一項測量表明，在5V和9V電源下連續工作24小時后，性能并未發生下降。

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

　　圖3:2.4GHz時測量到的占空比。

　　與之前最先進的CMOS器件相比，上述驅動器實現了更大的輸出電壓擺幅和更高的工作頻率。此外，該CMOS驅動器具有與SiGe-BiCMOS等效電路相近的性能。相比之前所有HV驅動器，本文介紹的芯片具有帶RF控制功能的附加脈沖以提升SMPA系統性能。

　　本文小結

　　本文主要描述了采用1.2V基線65nm CMOS技術實現8.04Vpp和3.6GHz工作頻率的首款寬帶PWM控制RF SMPA驅動器。該CMOS驅動器連接了數字CMOS電路與高功率晶體管，可充當面向無線基礎設施系統的下一代可重新配置多頻多模發射器的主要構建模塊。