Tehokkaita CMOS-tehovahvistimia

Purduen yliopiston tutkijoiden kehittämät tehokkaat CMOS-pohjaiset mikro- ja millimetrialueen (24 … 54 GHz) tehovahvistimet voisivat vauhdittaa edullisempien seuraavan sukupolven matkapuhelimien, autojen törmäystutkien ja mikrosatelliittien viestinnän elektroniikan markkinoille tuloa.

Viidennen sukupolven (5G) mobiililaitteiden odotetaan vuonna 2019 edellyttävän parempia tehovahvistimia. Koska nykypäivän matkapuhelimien tehovahvistimet on valmistettu galliumarsenidista, niitä ei voida integroida puhelimen piipohjaiseen piiritekniikkaan.

CMOS-pohjainen tehovahvistin on mahdollista integroida puhelimen tai tutkan muuhun piiritekniikkaan, mikä alentaa valmistuskustannuksia ja virrankulutusta sekä tehostaa toimintaa.

"Pii on paljon halvempaa ja luotettavampi kuin galliumarsenidi, ja sillä on pidempi käyttöikä. Ja jos sinulla on kaikki yhdellä sirulla, se on myös helpompi testata ja ylläpitää", toteaa Purdue Universityn dosentti Saeed Mohammadi.

"Olemme kehittäneet korkeimman hyötysuhteen CMOS-tehovahvistimen taajuusalueella, jota käytetään 5G matkapuhelimissa ja seuraavan sukupolven tutkissa."

Tutkijoiden Silicon On Insulator (SOI) tyyppiseen CMOS-tekniikkaan perustuvat tehovahvistimet saavuttivat yli 40 prosenttisia hyötysuhteita, mikä on verrattavissa galliumarsenidista tehtyihin vahvistimiin.

Vahvistimien suunnittelussa hyödynnettiin useiden piitransistoreiden pinoamista yhteen. Näin vähennetään transistorien välillä tarvittavia metallikontakteja, jotka aiheuttavat suorituskykyä heikentävää loiskapasitanssia. Jatkossa tutkijat yrittävät edelleen vähentää metallointia transistorien väliltä.

Tutkijat valmistuttivat piirinsä GlobalFoundriesin 45 nm CMOS SOI -tekniikalla. Erilaiset K- ja U-kaistoille (24-28 Ghz ja 42-54 GHz) suunnitellut transistorirakenteet perustuivat triple-kaskadi perussolujen pinoamiseen kahteen tai kolmeen kerrokseen.