Σχεδίαση και υλοποίηση ολοκληρωμένου ενισχυτή ισχύος, συχνότητας λειτουργίας 60GHz, υψηλής γραμμικότητας σε τάξη AB, στην τεχνολογία FD-SOI 22nm CMOS

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται η ανάλυση, η σχεδίαση και η υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου ενισχυτή ισχύος, δύο σταδίων, λειτουργίας σε βαθιά κλάση AB, σε κεντρική συχνότητα στα 60GHz. Βασικό κριτήριο σχεδίασης του ενισχυτή αποτελεί η υψηλή απόδοση, αλλά και η καταστολή επιπλέων προϊόντων μη-γραμμικότητας 3ης τάξης σε σύγκριση με state-of-the-art ενισχυτές ισχύος στη βιβλιογραφία. Η υλοποίηση του ενισχυτή περιλαμβάνει και την τεχνική current power combining για αύξηση του επίπεδου ισχύος στην έξοδο του ενισχυτή. Ο εν-λόγω ενισχυτής υλοποιείται στην τεχνολογία FD-SOI 22nm της Global Foundries. Παρουσιάζονται αναλυτικά τα βήματα που ακολουθήθηκαν για την πλήρη υλοποίηση του ενισχυτή ισχύος της προαναφερθείσας τάξης, σε κεντρική συχνότητα λειτουργίας 60GHz, ενώ σε όλη την έκταση της εργασίας γίνεται η σύγκριση της απόδοσης και των σχεδιαστικών διαφορών μεταξύ της σχεδίασης του ενισχυτή σε σχηματικό επίπεδο (ιδανικό) και του τελικά υλοποιήσιμου κυκλώματος σε επίπεδο φυσικής σχεδίασης. Η δομή της εργασίας έγκειται, αρχικά στην μελέτη και παρουσίαση των λόγων για τους οποίους ο ενισχυτής ισχύος κατέχει πρωτεύοντα και υψίστης σημασίας ρόλο στις διάφορες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές νέας γενιάς, υπό την απαίτηση νέων εφαρμογών υψηλότερου data rate, ενώ σχολιάζεται η θέση του στην τηλεπικοινωνιακή αλυσίδα ενός σύγχρονου πομπού στα επερχόμενα προϊόντα κινητών επικοινωνιών. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται μία εκτεταμένη θεωρητική ανάλυση για τα βασικά χαρακτηριστικά, τις προδιαγραφές και τη μοντελοποίηση των ολοκληρωμένων ενισχυτών ισχύος των περισσότερων και βασικότερων τάξεων που έχουν υλοποιηθεί μέχρι σήμερα, καθώς και στις δυσκολίες σχεδίασης ενισχυτών σε sub-nm CMOS process nodes. Στα επόμενα κεφάλαια, ακολουθούν η σχεδίαση και η ανάλυση, αρχικά σε σχηματικό επίπεδο και έπειτα σε επίπεδο layout του επιλεγμένου ενισχυτή ισχύος σε κλάση ΑΒ, ενώ παρουσιάζεται μια γενική εικόνα της τεχνολογίας GF22 που έγινε η υλοποίηση. Στα τελευταία κεφάλαια, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων του σχεδιασμένου ενισχυτή και επισημαίνονται διάφορες βελτιώσεις, ως μελλοντική εργασία, που επιδέχεται το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Τέλος, η παρούσα διατριβή, επιχειρεί να αποτελέσει ένα εγχειρίδιο, για τον τρόπο με τον οποίο μπορεί κανείς να υλοποιήσει έναν ενισχυτή ισχύος σε CMOS τεχνολογία για υψηλές συχνότητες, οποιασδήποτε κλάσης αφού παρουσιάζει μία χρονική περιγραφή της ροής σχεδίασης και μεθοδολογία επίλυσης προβλημάτων, οι οποίες είναι κοινές, σε όλες τις κλάσεις ενισχυτών ισχύος.