Influência da polarização de corpo no desempenho de um amplificador de potência CMOS

Abstract

Resumo: Amplificadores de potência (PA) são amplamente empregados em comunicação sem fio e a demanda por dispositivos portáteis alimentados por baterias tem sido a motivação para pesquisas que visam reduzir o consumo de energia dos circuitos integrados. E essa redução do consumo de energia pode afetar o desempenho dos circuitos integrados analógicos em termos de velocidade, linearidade, ganho e largura de banda. Por este motivo, esta dissertação investiga como melhorar o desempenho de um PA CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) bulk (tecnologia convencional de lâmina de silício), utilizando polarização de corpo dos transistores, apresentando os resultados da simulação em 2,4 GHz, explorando a técnica de polarização de corpo, a fim de mensurar a utilização do substrato agindo como uma segunda porta (ou backgate) para o MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). O PA proposto foi um amplificador Cascode, onde o circuito esquemático e as simulações foram projetadas e realizadas no software Cadence Virtuoso usando o processo RF CMOS GlobalFoundries de 130 nm. Nessas simulações o fator de estabilidade foi maior do que 1 na faixa de 0 a 5 GHz, satisfazendo o requisito para um amplificador incondicionalmente estável. A base teórica da pesquisa foi o efeito de corpo nos transistores CMOS, com o uso de transistores de óxido espesso com poço triplo, sendo comparados os resultados dessa técnica com o padrão normalmente utilizado de fixar o substrato à fonte (ponto mais negativo da fonte nos dispositivos canal n). Foram aplicadas tensões de polarização de corpo entre - 2 V e + 2 V, onde as métricas observadas foram o ganho de pequenos sinais (521), o ponto de compressão de 1 dB (OCPldB) e a Eficiência de Potência Adicionada (PAE). Foram encontrados resultados como o aumento na linearidade do PA de 0,9 dB, do PAE de 0,9 % e do 521 de 0,4 dB. Sendo assim, a polarização de corpo em transistores CMOS pode servir como elemento de ajuste, compensando as variações de VTH induzidas pela temperatura ou pelo efeito de envelhecimento do dispositivo. Palavras-chave: Amplificador. Potência. Polarização. Corpo. Linearidade.

Abstract: Power amplifiers (PA) are widely used in wireless communication and the demand for portable devices powered by batteries has been the motivation for research aimed at reducing energy consumption in integrated circuits. And this reduction in energy consumption can affect the performance of analog integrated circuits in terms of speed, linearity, gain and bandwidth. Therefore, this dissertation investigates how to improve the performance of a PA CMOS (Complementary Metal- Oxide-Semiconductor) bulk (conventional silicon blade technology), using body bias in transistors, presenting the results of the simulation in 2,4 GHz, exploring the body bias technique, in order to measure the use of the substrate. acting as a second port (or backgate) for the MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). The proposed PA was a Cascode amplifier where the schematic circuit and simulations were designed and performed in Cadence Virtuoso software using the 130 nm RF CMOS GlobalFoundries process. In these simulations the stability factor was greater than 1 in the 0 to 5 GHz range, satisfying the requirement for an unconditionally stable amplifier. The theoretical basis of the research was the body effect on the CMOS transistors, using triple-well transistors and comparing the results of this technique with the standard used to fix the substrate to the source (most negative point of the source in channel n devices). Body bias voltages were applied between - 2 V and + 2 V, where the observed metrics were the small signal gain (521), the 1dB compression point (OCPldB) and the Power Added Efficiency (PAE). Results were found as an increase in the PA linearity of 0,9 dB, PAE of 0,9 % and S21 of 0,4 dB. Thus, body bias in CMOS transistors can serve as an adjusting element, compensating for variations in VTH induced by temperature or the aging effect of the device. Keywords: Amplifier. Power. Bias. Body. Linearity.