基于射频功率放大器驱动器的无线系统实现

目前，已经可以在1.2V 65nm CMOS技术的基础上实现8Vpp和脉冲宽度调制射频高压/大功率驱动器。在0.9到3.6GHz的工作频率范围内，该芯片在9V的工作电压下可向50Ω 负载提供8.04Vpp的最大输出摆幅。这使得CMOS驱动器能够直接连接并驱动LDMOS和GaN等功率晶体管。该驱动器的最大导通电阻为4.6Ω。2.4GHz时所测量的占空比控制范围为30.7%到71.5%.通过使用新型薄氧化层漏极延伸MOS器件，该驱动器可实现可靠的高压操作，而这一新型器件通过CMOS技术实现时无需额外的费用。

技术背景

现代无线手持通信无线电（包括射频（RF）功率放大器（PA） 在内）均是在深亚微米CMOS中得以实现。不过，在无线基础设施系统中，由于需要较大的输出功率等级，必须通过硅LDMOS或混合技术（如GaA和更先进 的GaN）才能实现RF PA.对下一代可重新配置的基础设施系统而言，开关模式PA（SMPA）似乎能为多频带多模式发射器提供所需的灵活性和高性能。但是，为了将基站SMPA 中使用的高功率晶体管与发射器的所有数字CMOS模块相连，需要能够生成高压（HV）摆幅的宽带RF CMOS驱动器。这样不仅能实现更优的高功率晶体管性能，而且还能将数字信号处理直接用于控制所需的SMPA输入脉冲波形，从而提高系统整体性能。

设计挑战

LDMOS或GaN SMPA的输入电容通常为几个皮法，必须由振幅高于5Vpp的脉冲信号驱动。因此，SMPA CMOS驱动器必须同时提供高压和瓦特级的射频功率。遗憾的是，深亚微米CMOS给高压和大功率放大器及驱动器的实现提出了诸多挑战，尤其是极低的最大工 作电压（即可靠性问题引起的低击穿电压）和损耗较大的无源器件（例如用于阻抗变换）。

现有解决方案

用于实现高压电路的方法并不多。可以采用能够实现高压容限晶体管的技术解决方案（如多栅氧化层）， 但代价是生产流程较昂贵，必须向基线CMOS工艺添加额外的掩模和处理步骤，因此这种方案并不理想。此外，为可靠地增加高压耐受力，可以采用仅使用标准基 线晶体管（使用薄/厚氧化层器件）的电路方案。在第二种方法中，器件堆叠或串联阴极是最常见的例子。但是，射频复杂性和性能具有很大的局限性，尤其是当串 联阴极（或堆叠）器件的数量增加至2个或3个以上时。另一种实现高压电路的途径就是如本文所述的在基线CMOS技术中使用漏极延伸场效应管（EDMOS）来实现。

新的解决方案

漏极延伸器件基于智能布线技术，这得益于在ACTIVE（硅）、STI（氧化层）及GATE （多晶硅）区域中可实现十分精细的尺寸，并能在没有附加费用的条件下，利用基线深亚微米CMOS技术实现PMOS和NMOS两种高压容限晶体管。尽管与采 用该工艺的标准晶体管相比，这些EDMOS设备的RF性能实际上较低，但由于消除了与其他HV等效电路相关的重要损耗机制（如串联阴极），它们仍能在整个 高压电路中实现较高整体性能。

因此，本文所述的高压CMOS驱动器拓扑结构采用EDMOS器件来避免器件堆叠。RF CMOS驱动器采用薄氧化层EDMOS器件通过65nm低待机功耗基线CMOS工艺制造，且无需额外的掩模步骤或工序。对PMOS和NMOS而言，这些器 件上测量到的fT分别超过30GHz和50GHz,它们的击穿电压限度为12V.高速CMOS驱动器前所未有地实现了高达3.6GHz的8Vpp输出摆 幅，因而能为像GaN这样的基于宽带隙的SMPA提供驱动。

图1为本文所述驱动器的结构示意图。输出级包括一个基于EDMOS的逆变器。EDMOS器件可由低 压高速标准晶体管直接驱动，从而简化了输出级与其它数字和模拟CMOS电路在单颗芯片上的集成。每个EDMOS晶体管均由通过3个CMOS逆变器级实现的 锥形缓冲器（图1中的缓冲器A和B）提供驱动。两个缓冲器具有不同的直流等级，以确保每个CMOS逆变器都能在1.2V的电压下（受技术所限，即 VDD1-VSS1=VDD0-VSS0=1.2V）稳定运行。为了使用不同的电源电压并允许相同的交流操作，两个缓冲器的构造完全相同，并内置于单独的 Deep N-Well（DNW）层中。驱动器的输出摆幅由VDD1-VSS0决定，可随意选择不超过EDMOS器件最大击穿电压的任意值，而内部驱动器的运行保持 不变。直流电平位移电路可分离每个缓冲器的输入信号。

图1:RF CMOS驱动电路示意图和相应的电压波形。

CMOS驱动器的另一个功能就是对输出方波的脉冲宽度控制，该功能由脉宽调制（PWM）通过可变栅 偏压技术实现。PWM控制有助于实现微调和调谐功能，从而提升高级SMPA器件的性能。缓冲器A和B的第一个逆变器（M3）的偏置电平可参照该逆变器本身 的开关阈值对RF正弦输入信号进行上移/下移。偏置电压的改变将使逆变器M3的输出脉冲宽度发生变化。然后，PWM信号将通过另外两个逆变器M2和M1进 行传输，并在RF驱动器的输出级（EDMOS）合并。