Mm-aaltotaajuisten pinottujen MOS-tehovahvistimien analyysi ja suunnittelu

Tämä tutkimus koskee pinottujen CMOS tehovahvistintopologian suunnittelua. Pinottuja MOStehovahvistimia (PA) käytetään yleisesti CMOS SOI teknologiassa, mutta niitä voidaan toteuttaa myös perinteisellä CMOS teknologialla. Tässä väitöskirjassa pinottuja tehovahvistin rakenteita analysoidaan millimetriaaltoalueella.

Tutkimuksessa keskitytään tärkeimpiin rajoittaviin tekijöihin, joista erityisesti pinottavien transistorien optimaaliseen määrään. Tästä saadaan keskeiset suorituskykyparametrit, kuten suurin mahdollinen toimintataajuus, lähtöteho ja hyötysuhde. Lisäksi esitetään kompromisseja, jotka liittyvät pinottujen MOS tehovahvistimien suunnitteluun. Uutena asiana esitetään kunkin pinotun transistoriasteen optimaalisen kuorman taajuusriippuvuuden analysointimenetelmä, jonka avulla pystytään esittämään ko. tehovahvistintopologian kokonaissuorituskyky. Lisäksi esitetään mekanismi, jossa optimaalisen kuorman vaihtelu muuntuu amplitudi-amplitudi/vaihe (AM-AM/PM) konversioksi. Analyysi verifioidaan piirisimulointien avulla käyttäen 8M1P 28nm CMOS-teknologiaa ja sähkömagneettisilla EM-simulaatioilla ADS Momentumin avulla.

Tässä väitöskirjassa käsitellään lisäksi Doherty tehovahvistimen Cluokan aux vahvistimen suunnitteluvaatimuksia. Huomioiden johtavuuskulma ja back-off (BO) tason esitetään yleinen suunnittelukaavio, jota voidaan käyttää aux-vahvistimen mitoittamiseen.

Kyseistä menetelmää käyttäen suunnitellaan C-luokan tehovahvistin ja sitä käytetään DPA-piirissä 28 GHz:n taajuudella, joka verifioidaan käyttämällä 45 nm CMOS-tekniikkaan perustuvia simulaatioita. Simulaatiotulosten perusteella saadaan 27 dBm:n lähtöteho ja 60 % maksimaalisen hyötysuhteen (DE). 6 dB BO:lla saadaan 45 % hyötysuhde, mikä on 2-kertaisen parannus verrattuna AB-luokan tehovahvistimeen ja simulointien perusteella tämä on uusi ennätys.