SE516948C2 - Temperaturkompensering i rf-CMOS - Google Patents

Description

25 30 35 516 948 2 (PTAT). egenskapsvariationerna är att förspänna transistorn med temperaturen Metoden för att kompensera för en PTAT-strömkälla. Detta är den metod som beskrivs i ”A l-GHz BiCMOS RF Front-End IC", vilken publicerades i IEEE J. of Solid State circuit, volym 29, nr 3, sid 350-355, mars 1994. Enligt författar- na till artikeln ligger förstärkningsvariationen hos LNA av R. Meyer och W. Mack, vid ungefär -0,008dB/°C. Det finns inte några tillgängli- ga resultat för brusfigurvariationen. För CMOS-RF- frontkretsar uppmärksammas temperaturfrågan sällan. Det verkar finnas en enda artikel som behandlar variationen hos frontkretsar, ”The Design and Implementation of Low- Power CMOS Radio Receivers”, av D. Schaeffer och T. Lee, vilken publicerades i Kluwer Academic Publishers, 199. I det arbetet är metoden att följa variationen i spännings- matningen och Vf med hjälp av någon approximation. För- fattarna till det arbetet säger emellertid endast att deras krets kommer att minska variationen. Inga data finns tillgängliga.

I avsikt att demonstrera strategin för att tempera- turkompensering visas i Fig 1 en konventionell kaskod- kopplad, lågbrusig CMOS-förstärkare med AMSO,35$\mu$m.

Under en 3V spänningsmatning vid 27°C visas simulerings- resultaten att den kan uppnå l2,8dB effektförstärkning med 2,5mA förspänning. Ingångsportens och utgångsportens returförluster Sll och S22 är -25dB respektive -l4dB med NF om ungefär l,7dB (Fig 2). Förstärkarens linjäritet mätt enligt IIP3 har bestämts till -7dBm.

I CMOS-anordningar orsakas de temperaturberoende effekterna framförallt av två faktorer; tröskelspänning och mobilitetsvariationer. Tröskelspänningen har en liknande temperaturtendens som bipolära enheter, vilka har en TC på ungefär -2mV/°C. Mobiliteten kommer att minska när temperaturen ökar p g a dess exponentiella natur och den kommer att vara den dominerande variations- faktorn. Den fraktionella temperaturkoefficienten (TPQ för mobiliteten ges enkelt av 10 15 20 . . o - nu - 516 948 *”*“ - u » u vc 1 a m TC =--_ T =-1,sT 2 f I” ÖTM) < > För steget med gemensam kollektor kan transkonduk- tensen uttryckas som W' X,,.(T)=fl(T)C,,,ï(Vg5 -V,,.(T)) (3) där p är mobiliteten, CM är styrets oxidkapacitans, W och L är kanalens bredd och längd, Vw är styre-kollektor- spänningen, och Vfllär tröskelspänningen. Om vi antar konstant styre-kollektorförspänning så blir TCf för gm: 1 ÖVlh(T)=_1,5T-1+ gm ÖT ÖT' ¶ ÖT KW där Vfif = Vß-VÜ,är overdrive-spänningen för gemensam- kollektor-steget. Vid stor overdrive kommer den första termen att dominera och följaktligen kommer gm att minska med temperaturen. Om vi vid LNA-konstruktionen antar att ingàngsnätets kvalitetsfaktor (Qm) är fast och tempera- turoberoende så framgår av Gm = gmQin där Gm är transkonduktansen för ingångssteget, vilket innefattar M1, Ls, Lg och Cin i Fig 1, att förstärkningen hos nämnda LNA kommer att falla när temperaturen ökar, och av 10 15 20 25 30 u o | n ou u | . ø ~ o; 51-6 948 NF =1+_7: (6) R,g.,.Q,.,,2 där Rs är kollektorimpedansen och y är en konstant, framgår att brusegenskaperna kommer att försämras i motsvarande grad. I deriveringen ovan antar vi att styre- kollektor-förspänningen V¶;är konstant, men för en kon- ventionell förspänningskrets, såsom den i Fig 1, varierar i själva verket Vß med temperaturen. Med andra ord varie- rar strömmen i förspänningsgrenen med temperaturen. Det är lätt att visa att TCfför förströmmen också kommer att ha ett negativt värde. Detta kommer således att ytterli- gare försämra prestanda hos den lågbrusiga förstärkaren.

Notera att temperaturvariationen även kommer att påverka ingångs- och utgångsmatchningen, men simuleringsresultat visar att denna variation inte är särskilt signifikant och att returförlusterna alltid ligger under lOdB. Fig 3 visar att förströmmen kommer att minska när temperaturen ökar. Effektförstärkningen faller mer en 3dB inom det temperaturområde som visas i Fig 4. I Fig 5 kan vis samtidigt se att NF ökar med ungefär 0,7dB. Dessa simule- ringsresultat stämmer överens med deriveringen ovan.

Av analysen ovan framgår att det krävs en förström som har en positiv temperaturkoefficient för att prestan- da hos den lågbrusiga CMOS-förstärkaren skall hållas konstanta över ett brett temperaturområde. I avsikt att finna den förström som kan kompensera för egenskapsvaria- tionen vid en given effektförbrukning kan en teoretisk analys utföras för att man skall finna den ström- temperaturkurva som kan kompensera för egenskapsförsäm- ringen fullständigt. I integrerade kretsar har emellertid även de passiva komponenterna temperaturvariation. Om vi tar med dem samtliga i beräkningen kommer därför proble- met i fråga att visa sig vara oöverkomligt. 10 15 20 25 30 35 u ø e - nu . , , . . . o o » - v' s1s~94s 5 Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål med denna uppfinning är att åstadkomma en förbättrad metod för temperaturkompensering av en front-CMOS-krets som arbetar vid radiofrekvens. Ändamålet uppnås med en metod i enlighet med de bi- fogade patentkraven.

I en mest generell aspekt skulle uppfinningen kunna ses som en metod för temperaturkompensering av en radio- frekvent front-CMOS-krets genom härledning av temperatur- karaktäristiken för en specifik frontkrets, följt av härledning av den önskade strömkälla som kompenserar för temperaturvariationerna, följt av en realisering av denna strömkälla.

Närmare bestämt innefattar metoden enligt förelig- gande uppfinning steget att alstra en temperaturkompense- rad förström, vilket steg i sin tur innefattar stegen att: - bestämma temperaturkarakteristiken hos den tempera- turkompenserade förströmmen genom att simulera den med en ideal simuleringsströmkälla, under det att det absoluta strömvärdet samt en temperaturkoefficient därav ställs in, varvid den ideala simuleringsströmkällan därigenom alstrar en ideal simuleringsström, vilken motsvarar den temeraturkompenserade förströmmen; - syntetisera den temperaturkompenserade förströmmen genom att alstra en första ström, vilken har en fraktio- nell temperaturkoefficient som är likadan som den ideala simuleringsströmmens fraktionella temperaturkoefficient, och ställa in den första strömmen med hjälp av en ström- källa som har en temperaturkoefficient vilken är väsent- ligen noll.

Såsom framgår av inledningen är det viktigt att hål- la konstanta egenskaper hos RF-frontkretsen. Metoden enligt denna uppfinning är särskilt utformad för en LNA som frontkrets, men kan även tillämpas på andra front- kretsar där liknande förutsättningar föreligger. Genom att man utnyttjar metoden enligt denna uppfinning kan 10 15 20 25 30 35 , . » - .- ~ u u u v- '516 948 6 väsentligen konstanta förstärknings- och brusegenskaper uppnås över ett stor temperaturområde. En annan fördel är att denna metod kan ge bästa egenskaper vid 27°C, vilket är normalfallet.

Genom analysen av de erforderliga temperaturegenska- perna i en simuleringsmiljö med hjälp av en ideal simule- ringsströmkälla, under det att såväl det absoluta ström- värdet som strömkällans temperaturkoefficient ställs in, erhålls en mall för en realisering. Därefter alstras en temperaturkompenserad ström med hjälp av två strömkällor vilka har komplementära karakteristiker.

Företrädesvis är de första och andra strömkällorna en PTAT-strömkälla respektive en bandgapsströmkälla, vilka används för realisering av den specifika, ideala strömkällan som blir resultatet av simuleringssteget, och för alstring av den temperaturkompenserade strömmen.

Såsom är väl känt inom detta tekniska område innefattar en bandgapsströmkälla källor med både negativ och positiv TC i avsikt att uppnå en TC som är noll.

Ytterligare ändamål med och fördelar hos föreliggan- de uppfinning kommer att diskuteras nedan med hjälp av exemplifierande utföringsformer.

Kort beskrivning av ritningen Exemplifierande utföringsformer av uppfinningen kom- mer att beskrivas nedan under hänvisning till de åtföl- jande ritningarna, på vilka: Fig 1 är ett kretsschema över en känd, lågbrusig förstärkare; Fig 2 är ett diagram som visar prestanda för LNA en- ligt Fig 1; Fig 3 är ett diagram som visar variationen hos en okompenserad förström; Fig 4 är ett diagram som visar effektförstärknings- variationen för ett okompenserat fall; Fig 5 är ett diagram som visar brusfigurens varia- tion för ett okompenserat fall; 10 15 20 25 30 35 516 9148 7 Fig 6 är ett kretsschema över en temperaturkompense- rad förspänningskrets för utförande av en utföringsform av metoden enligt föreliggande uppfinning; Fig 7 är ett diagram som visar en temperaturkompen- serad förström, vilken har alstrats med hjälp av metoden enligt denna uppfinning; Fig 8 är ett diagram som visar en temperaturkompen- serad förspänning, vilken har alstrats med hjälp av metoden enligt denna uppfinning; Fig 9 åskådliggör effektförstärkningen hos en front- krets med respektive utan kompensering; Fig 10 åskådliggör brusfiguren hos en frontkrets med respektive utan kompensering; Fig ll åskådliggör kopplingen mellan den krets som visas i Fig 6 och den grundläggande LNA-delen av den krets som visas i Fig 1.

Beskrivning av utföringsformer I Fig 6 visas en temperaturkompenserad förspännings- krets för utförande av en utföringsform av metoden enligt föreliggande uppfinning.

Initialt utförs en simulering i avsikt att bestämma de erforderliga temperaturkarakteristikerna. Således kan man, med ledning av den ovan beskrivna deriveringen, anta att förströmmen kommer att alstras av en PTAT-strömkälla, Q2 och en resistor Rbl såsom visas i Fig 6. Genom inställning vilken innefattar transistorer Mbl-Mb5 och Ql, finner vi att förströmskurvan borde ha en TCf på ungefär 5800ppm/°C och 2l6uA vid 27°C. Vidare finns det ett behov för att göra förspänningen vid styret hos M2 konstant. I en enkel av att alstra en temperaturoberoende förspänning, realisering skulle en PTAT-strömkälla kunna användas för att realisera den önskade strömkällan direkt, men av skäl som kommer att förklaras nedan, och i enlighet med upp- finningen, är det åstadkommet en PTAT-strömkälla och en bandgapsströmkälla för syntetiseringen av den önskade 10 15 20 25 30 u o n ø »- . . ~ . . - . . . v' 516 948" 8 strömkällan. Bandgapsströmkällan används också för alstring av den konstanta förspänningen i styret hos M2.

Pnp-transistorn i kretsen i Fig 6 är realiserad genom en CMOS-process med ps*-regionen i n-brunnen och Ql-2 och Rbl implementerar en PTAT-strömkälla. Arean hos Q2 är A p-substratet i n-brunnen. Transistorerna Mbl-5, gånger större än hos Ql (A=10 i denna utformning).

Således kommer strömmen i varje förgrening att bli __AV¿ _P}bKA) I om Rm Rbl (7) (ÖVT/VT) är även det absoluta värdet bestämt när Det har visat sig att vi inte kan uppfylla båda kraven samti- Eftersom både V5 och är konstanta vid en viss temperatur, vi bestämmer TCf hos PTAT-strömmen, eller vice versa. digt med hjälp av denna krets, så vi låter denna PTAT- strömkälla ha samma TCf som den önskade och använder en bandgapsströmkälla för att ställa in absolutvärdet.

Eftersom vi redan har PTAT-källan är allt vi behöver för bandgapsströmkällan en strömkälla med negativ TC. Detta Q3 och Rb2, med hjälp av den negativa TCf hos Vge. Bandgapsströmkällan används även för 15 och Rb3.

Fig 7 visar den förström som alstras av förspän- realiseras genom Mb9-13, att alstra en 2V förspänning med Mbl4, ningskretsen och Fig 8 visar den förspänning som appli- ceras på M2. Denna spänning har en TCf som är mindre än 30ppm/°C. Fig 9 och 10 visar variationerna hos förstärk- ningen respektive NF. Förstärkningsvariationen är mindre än O,4dB (0,0031dB/°C), och den uppnår ett största värde på l2,76dB vid 27°C. NF-variationen är nu mindre än O,ldB och vid 27°C har den ett minsta värde om l,66dB.

I Fig ll visas den kompenseringskrets som har be- skrivits under hänvisning till Fig 6 schematiskt med en streckad linje. Utgångarna från kompenseringskretsen är Vbl och Vb2 och motsvarar ingångarna vid Vbl och Vb2 till själva LNA-kretsen i Fig ll. . n | ~ vc 51 6 94 8 E. ' ' -Åš 9 Ovan har en föredragen utföringsform av metoden en- ligt föreliggande uppfinning beskrivits under hänvisning till en kretsimplementering. Detta skall endast ses som ett ej begränsande exempel. Många modifieringar är möjli- ga inom ramen för uppfinningen så som den definieras av patentkraven.

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 . » o a -v is1ic Mss 10 PATENTKRÄV

1.Metod för temperaturkompensering av en front-CMOS- krets som arbetar vid radiofrekvens, vilken metod inne- fattar steget att alstra en temperaturkompenserad för- ström, vilket steg i sin tur innefattar stegen att: - bestämma temperaturkarakteristiken hos den tempera- turkompenserade förströmmen genom att simulera den med en under det att det absoluta strömvärdet samt en temperaturkoefficient därav ställs ideal simuleringsströmkälla, in, varvid den ideala simuleringsströmkällan därigenom alstrar en ideal simuleringsström, vilken motsvarar den temeraturkompenserade förströmmen; - syntetisera den temperaturkompenserade förströmmen genom att alstra en första ström, vilken har en fraktio- nell temperaturkoefficient som är likadan som den ideala simuleringsströmmens fraktionella temperaturkoefficient, och ställa in den första strömmen med hjälp av en ström- källa som har en temperaturkoefficient vilken är väsent- ligen noll.

2.Metod enligt krav l, att den första strömmen är proportionell mot den absoluta temperaturen (PTAT).

3.Metod enligt krav 1 eller 2, att inställningen av den första strömmen är relate- var k ä n n e t e c k n a d aV k ä n n e t e c k n a d a v rad till dess absolutvärde.

4.Metod enligt krav 1, 2 eller 3, la som har en temperaturkoefficient vilken är väsentligen varvid den strömkäl- noll är en bandgapsströmkälla.

5.Metod enligt något av föregående krav, k ä n n e- t e c k n a t a v att alstra en temperaturkompenserad förspänning med hjälp av nämnda strömkälla vars tempera- turkoefficient är väsentligen noll. 6 Metod enligt något av föregående krav, varvid front- kretsen är en lågbrusig förstärkare.