SE528052C2 - Radiofrekvenseffektförstärkare med kaskadkopplade MOS-transistorer - Google Patents

Description

...., 10 20 25 30 528 052 2 de är inte med lätthet tillgängliga i standard CMOS, och om så är fallet, erfordrar de ytterligare prooesskomplexitet, vilket ökar kostnaden.

En annan lösning är att använda kaskadkonfigurationen som normalt kommer att tillåta högre spänning vid utgången eftersom utgångens spännings- svängning kommer att delas mellan de två kaskadkopplade transistorema, såsom beskrivs i publikationerna US 6 496 074, US 6 515 547 och ”A 2,4-GHz 0,18 pm CMOS Self-Biased Cascode Power Amplifier”, av Tirdad Sowlati o.a., IEEE Joumal Solid State Circuits, vol. 38, nr 8, augusti 2003. En sådan lösning är den mest attraktiva när man använder konventionell CMOS och när tillförlitlighetsfrågor är av vikt.

Sammanfattning av den föreliggande uppfinningen Problem Den föreslagna kaskadkopplade radiofrekvenseffektförstärkaren, kon- struerad av Sowlati i CMOS-teknologi, har visat låg drift under en kortare tids- period. Funktionen hos den översta, kaskadkopplade transistorn är emellertid sådan att transistom ser en bakåtiörspänning med hänvisning till substratet, som är fallet när man använder CMOS-teknologi med gemensam substratpotential. Det har på annat håll visats att ett sådant tillstånd kan förorsaka transistorförsämring, såsom framgår av publikationen ”Enhanced Negatlve Substrate Bias Degradation in nMOSFETs With Ultra thin Plasma Nitrided Oxide”, av Tsu-Hsiu Perng, o.a., IEEE Electron Devioe Letters, vol. 24, nr 5, maj 2003, sid. 333, och således skapa tillförlitlighetsproblem. Lösningen begränsar också den maximala signalspänning- en på utgången av förstärkaren på grund av tillförlitlighetsbekymmer, dvs. använd- andet av sådana kaskadkopplade förstärkare för högre förstärkarklasser, eftersom de förorsakar en större spänningssvängning ovanför effektmatningen.

En annan nackdel är att på grund av substratets bakåtlörspänning minskas förstärkningen hos förstärkaren, eftersom emitter-elektroden hos den övre transistorn är höjd till approximativt halva spänningssvängningen hos effekt- förstärkarens utsignal.

Lösningar och fördelar Med syftet att lösa ett eller flera av de ovan identifierade problemen före- slår den föreliggande uppfinningen kaskadkopplade radiofrekvenseffektförstärkare 20 25 30 528 05.2 3 med isolerade transistorer för att eliminera tillförlitlighetsproblemen. Detta åstad- kommes genom att använda isolerade MOS-transistorer, exempelvis valet med tre brunnari CMOS-bulkteknologi, vanligen tillgängliga i nedskalade CMOS-proces- ser, eller genom att använda CMOS på Kisel-på-lsolator, där alla transistorer är isolerade från substratet.

Att ansluta emitter-elektroden hos varje transistor till dess brunnskontakt får substratregionen under kanalen att följa emitter-elektrodens potential. Detta minskar i sin tur spänningen över alla transistorterminaler till de acceptabla värdena. Det tillåter också att stapla fler än två transistorer, exempelvis tre eller fyra, för att motstå högre spänning på effektförstärkarens utgång.

En andra fördel med den föreslagna lösningen är att effektförstärkarens förstärkning ökas ijämförelse med teknikens ståndpunkt, eftersom bulkens bakåt- förspänningseffekt på de översta transistorema som ökar deras tröskelvärdes- spännig är frånvarande.

Kort beskrivning av ritningama En radiofrekvenseffektförstärkare enligt den föreliggande uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till de bifogade ritningama, där: Figur 1a visar en schematisk vy på en tidigare känd självförspänd, kaskad- kopplad förstärkare, Figur 1b visar spänningsvågfonnema gentemot tid hos den tidigare kända kaskadkopplade förstärkaren, Figur 2a visar en schematisk vy på en uppfinningsenlig, jordad, kaskad- kopplad förstärkare, Figur 2b visar en schematisk vy på en uppfinningsenlig, kaskadkopplad differentialförstärkare, och Figur 3 visar utsignalens spänningsvågforrner vid den översta transistom med och utan anslutning mellan bulk- och emíttemodema.

Beskrivning av utförinsforrner som för närvarande föredrages.

Det är, såsom tidigare angivits, känt att använda den kaskadkopplade konfigurationen enligt Figur 1 som normalt kommer att tillåta högre spänning VD2 vid utgången, såsom framgår av Figur 1b, eftersom utsignalens spänningssväng- ning kommer att delas mellan de två kaskadkopplacle transistorema M1, M2. ...., 20 25 30 528 052 4 En uppfinningsenlig radiofrekvenseffektförstärkare kommer nu att beskri- vas med hänvisning till Figur 2a där en uppfinningsenlig kaskadkopplad effektlör- stärkare PA är implementerad med åtminstone två, ifiguren tre, kaskadkopplade MOS-transistorer T1, T2, Tn bildade på ett ömsesidigt substrat som har bulknoden B1, B2, Bn isolerade från varandra och ansluten till respektive emitter-elektrod S1, S2, Sn hos vardera transistom T1, T2, Tn.

Den föreliggande uppfinningen anvisar att kollektor-elektroden Dn hos den översta transistom Tn är ansluten till effektmatningen vdd genom en induktiv be- lastning Ld och att styre-elektrodema G2, Gn hos varje övre transistor T2, Tn är utrustade med en självförspänningskrets SB2, SBn ansluten åtminstone mellan kollektor-elektroden D2, Dn och styre-elektroden G2, Gn hos respektive övre tran- sistor T2, Tn, där varje transistor ovanför den första transistom T1 betecknas övre transistor, och där den sista övre transistom Tn betecknas den översta transistom.

Det är också föreslaget att bulknoderna B2, Bn hos åtminstone de övre transistorema T2, Tn är isolerade från substratet. Bulknoden B1 hos den första transistom T1 kan också vara isolerad från substratet även om detta inte er- ßmms Det enklaste sättet att åstadkomma detta är att använda valet med tre brunnar i CMOS som isolerar NMOS-transistorernas p-brunn från p-bulken genom att omge den med en ytterligare n-brunn. Detta tillåter att kortsluta emitter-elektro- den hos varje kaskadkopplad transistor med dess brunn, med resultatet att brunn- en kommer att följa emitter-elektrodens potential.

Ett altemativt sätt att åstadkomma isoleringen mellan de kaskadkopplade transistorema är att använda CMOS på Kisel-på-lsolator. Kollektor-emitterspän- ningen och styre-bulkspänningen kommer med en sådan lösning att antaga värdena acceptabla för den använda CMOS-teknologin. Den tillåter också att stapla flera transistorer i kaskad för att motstå högre spänningssvängningar i exempelvis klass E effektförstärkare. I detta fall skulle tre steg vara ett acceptabelt val.

I syfte att erhålla den fullständiga fördelen med den uppfinningsenliga lös- ningen, föreslås ett förspänningsschema som kommer att maximera förstärkning- en och som kommer att tillåta att två eller flera transistorer staplas. Andra förspän- ningsschemor är emellertid möjliga för att optimera andra effektförstärkaregen- skaper, t.ex. linjäritet. 20 528 052 1 5 Figur 2a visar en schematisk vy på en uppfinningsenlig, jordad, kaskad- kopplad förstärkare och Figur 2b visar en schematisk vy på hur den föreliggande uppfinningen kan appliceras för att bilda en uppfinningsenlig kaskadkopplad differentialförstärkare med sex transistorer T11, T12, T1 n, T21, T22, T2n, och självförspänningskretsar SB12, SB1 n, SB21, SB2n som tillhör varje övre transistor T12, T1n, T22, T2n.

Figur 3 visar utgångens spänningsvågformer vid den översta transistorn med och utan anslutning mellan bulk- och emittemoder. Spänningsvågforrnen för bulken ansluten till emitter-elektroden återges också, motsvarande kurva för fallet med bulken jordad är självklart noll.

Figuren visar att den föreslagna lösningen ökar effektförstärkarens för- stärkning ijämförelse med teknikens ståndpunkt, eftersom bulkens bakåtförspån- ningseffekt på de översta transistorerna som ökar deras tröskelvärdesspänning är frånvarande.

Det skall förstås att uppfinningen inte är begränsad till de ovan beskrivna och illustrerade, exemplifierade utföringsforrnerna därav och att modifieringar kan utföras inom omfattningen av det uppfinningsenliga konceptet såsom det illustreras i de bifogade patentkraven.

Claims (6)

___., 10 20 25 30 528 052 PATENTKRAV

1. Kaskadkopplad- radiofrekvenseffektförstârkare, innefattande åtminstone i två kaskadkopplade MOS-transistorer bildade på ett ömsesidigt substrat, känne- tecknad av att bulknodema hos transistorerna är isolerade från varandra och an-' slutna tiil respektive emitter-elektrod hos varje transistor, att kollektor-elektroden hos den översta transistorn är ansluten till effektmatningen via en induktiv belast- ning, och av att styre-elektroden hos varje övre transistor är utrustad med en själv- h förspänningskrets ansluten åtminstone mellan kollektor- och styre-elektroderna - hos respektive övre transistor.

2. Förstärkare enligt patentkrav 1, kännetecknad av att bulknoderna hos åtminstone de övre transistorema är isolerade från substratet.

3. Förstärkare enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att transistorer- na är CMOS-transistorer med tre brunnar, att brunnen hosrespektive transistor är isolerad från bulken, och av att brunnen- hos respektive transistor är kortsluten till emitter-elektroden.

4. Förstärkare* enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknar! av att transistorer- na är CMOS-transistorer på Kisel-på-lsolator, att brunnen hos respektive translstor är isolerad från bulken, och av att brunnen hos respektive transistor är kortsluten till emitter-elektroden.

5. Förstärkare enligt något av föregående patentkrav, kännetecknar! av att transistorerna och självförspânningskretsarna är anpassade för att åstadkomma ett förspänningsschema som kommer att maximera förstärkarens förstärkning.

6. Förstärkare enligt något av patentkraven 1-4, kännetecknad av att tran- sistorerna och självförspänningskretsarna är anpassade för att åstadkomma ett förspänningsschema som kommer att optimera förstärkarens linjäritet.