Lázaro Marco Platón Departmento de Ingeniería Electrónica Universitat Politècnica de Catalunya Límites de la tecnología en la integración de amplificadores de potencia para radiofrecuencia

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Índice Introducción: –El Amplificador de Potencia para RF Identificación de limitaciones –Dispositivos activos: caso CMOS –Dispositivos pasivos –Ejemplo de implicaciones: Clase E Identificación de soluciones –Dispositivos activos: Visión dispositivo y visión sistema –Dispositivos pasivos: Condensadores –Dispositivos pasivos: Inductores ITRS-2003 –Comentarios acerca del ITRS-2003 Conclusiones

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Introducción: El RFPA, topología Los componentes que presenta son: –Inductores y condensadores: adaptación de impedancias y filtrado –Transistores: se encargan de la amplificación en si Imagen tomada sin permiso de [Y. Tan et Al. “A 900MHz Fully Integrated SOI Power Amplifier for Single-Chip Wireless Transceiver Applications” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 35, no. 10, Octubre 2000] Ejemplo de amplificador (clase E + driver):

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Introducción: El RFPA, características Características fundamentales del RFPA: –Trabaja a frecuencias elevadas –Debe proporcionar potencias de salida elevadas (~30dBm) –Importante maximizar eficiencia –Área y coste mínimos Capacidades parásitas son importantes Corrientes o tensiones elevadas Resistencias parásitas pequeñas Selección de topología concreta Tecnología muy escalable y bajo coste (Idealmente CMOS)

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Identificación de limitaciones: dispositivos activos La tecnología CMOS: –Evolución impuesta por diseño digital: Dispositivos más rápidos Menores tensiones de alimentación Longitud de canal menor Mayor nivel de integración Características fundamentales del RFPA: –Trabaja a frecuencias elevadas –Debe proporcionar potencias de salida elevadas (~30dBm) –Importante maximizar eficiencia –Área y coste mínimos

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Identificación de limitaciones: dispositivos pasivos Dispositivos pasivos: Capacidad a substrato baja Alto factor de calidad Alta densidad de capacidad y de inducción Características fundamentales del RFPA: –Trabaja a frecuencias elevadas –Debe proporcionar potencias de salida elevadas (~30dBm) –Importante maximizar eficiencia –Área y coste mínimos

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Identificación de limitaciones: Ejemplo Ejemplo de limitaciones para un clase-E Resistencia parásita de drenador Resistencia parásita del inductor Imágenes del trabajo para RFIC: “Standard CMOS integration of Class-E RFPA”, L. Marco, junio 2005

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Soluciones: dispositivos activos (I) Soluciones para los dispositivos activos desde una visión de dispositivo –Utilizar transistores de Heterounión (SiGe, GaAs) Mejor rendimiento con GaAs, pero también es más caro –Utilizar tecnologías de menor f max pero mayor tensión (LDMOS) Con una tensión V DS máxima de 30V, permiten V DD a 5V

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Soluciones: dispositivos activos (II) Soluciones para los dispositivos activos desde una visión de sistema (I) –Utilizar topologías con mejor eficiencia: Imágenes tomadas sin permiso de [F.H. Raab et Al. “L-Band Transmitter using Kahn EER technique”, IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol 46, no. 12. Diciembre 1998] Comparación de topologías:Topologías compuestas:

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Soluciones: dispositivos activos (III) Soluciones para los dispositivos activos desde una visión de sistema (II) –Utilizar “Bias adaptativo” para clase A Imágenes tomadas sin permiso de [K.Yang, G.Haddad, J.East “High efficiency Class-A Power Amplifiers with a Dual-Bias- Control Scheme” IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol 47, no. 8. Agosto 1999]

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Soluciones: dispositivos activos (IV) Soluciones para los dispositivos activos desde una visión de sistema (III) Imagen tomada sin permiso de [C.Yoo, Q. Huang, “A Common-Gate Switched 0.9W Class-E power amplifier with 41% PAE in 0.25µm CMOS” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 36, no. 5, Mayo 2001] Cascodeo de transistor de salida

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Soluciones: dispositivos activos (V) Soluciones para los dispositivos activos desde una visión de sistema (IV) Imágenes tomadas sin permiso de [K-C.Tsai, P.Gray, “A 1.9GHz, 1W CMOS Class E Power Amplifier…”, JSSC Julio 99] y de [S.Tu, C. Toumazou, “Low-Distortion CMOS Complementary Class-E Tuned Power Power amplifiers”, TCAS Mayo 00] Utilizar técnicas diferenciales:Utilizar técnicas push-pull:

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Soluciones: dispositivos activos (VI) Soluciones para los dispositivos activos desde una visión de sistema (V) Imagen tomada sin permiso de [A.Shirvani, D. Su, B. Wooley, “A CMOS RF Power Amplifier With Parallel Amplification for Efficient Power Control”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 37, no 6, Junio 2002 Utilizar amplificación paralela:

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Soluciones: dispositivos pasivos Soluciones para los dispositivos pasivos Inductores Uso de cobre, thick layer Uso de silicio altamente resistivo Micromatching Bonding inductor Condensadores Uso de cobre Uso de capas MIM

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de Comentarios sobre el ITRS 2003 Se estudia la viabilidad de los sistemas SIP y “full SIP” Se conocen soluciones fabricables hasta Sugieren factores de calidad necesarios en bobinas de hasta 14 Sugieren tensiones de ruptura de 12V para MOS y de hasta 40V para HBTs Sugieren la integración de switches y filtros mediante MEMS (CMOS) o de modo no conocido todavía (GaAs)

Límites de la tecnología en la integración de RFPAs 27 de Enero de CONCLUSIONES Cada vez es más complicado diseñar RFPAs Antes de apostar por una tecnología más cara conviene revisar los conceptos y optimizar el diseño Las bajas tensiones de alimentación contribuyen de modo crítico al diseño de los RFPAs y a su eficiencia. El factor de calidad de los componentes pasivos es un punto crítico a la hora de tener eficiencias elevadas