Debatten om CMOS kontra GaAs blev åter ett hett ämne på 2013 års International Microwave Symposium. Att välja bästa alternativ är inte så enkelt som att bara jämföra de aktiva komponenterna. I praktiken är det bäst att analysera en blandning av teknikerna. I valet mellan CMOS eller GaAs i en effektförstärkarmodul (PA) måste hela teknikuppsättningen utvärderas inklusive passiva komponenter, kretskortslaminat, kapslar och ytmonterade komponenter (SMD).  Matt Ozalas, Agilent Technologies, Inc beskriver här metoden.

Teknikbeslut på produktnivå är komplicerade eftersom olika konstruktionsavvägningar måste ske då en produkts komplexitet läggs till bastekniken för en komponent. För att göra en välgrundad jämförelse är tanken att börja enkelt och sedan snabbt lägga till komplexitet samtidigt som man utvärderar motsvarande tekniska avvägningar. Lösningen är att följa ett metodiskt tillvägagångssätt där en föreslagen uppsättning, eller "blandning" av tekniker utvärderas av snabba virtuella prototyper med början på komponentnivå som därefter utvecklas till färdig produktnivå. Det här gör att du kan utvärdera samspelet mellan tekniker i den föreslagna produkten. Sedan kan du jämföra resultat mellan två eller flera olika teknikuppsättningar upp till högsta produktnivå. Vi ska gå igenom denna metod med exempel på PA-moduler för både en GaAs-baserad och CMOS-baserad teknikblandning.

Fig 1.  Så här kan en metod för snabbt ökad komplexitet beskrivas.

GaAs-baserad teknikblandning
För den här blandningen väljer vi den etablerade metoden för moduldesign där varje block i modulen är konstruerat med den teknik som bäst passar den enskilda tillämpningen.

Nivå 1: Komponenten – process, modeller och tillförlitlighet
GaAs – bipolära heteroövergångstransistorer (HBT) är utmärkta för PA-tillämpningar eftersom de har en hög genombrottsspänning och kan hantera relativt hög strömtäthet. I detta exempel använder vi den mycket robusta HBT-processen för WIN-halvledare som använder Agilents HBT-modell (AHBT). Förutom att den passar komponentens egenskaper väl har AHBT-modellen en robust konvergens som är avgörande för optimering av storsignalegenskaper på produktnivå. På komponentnivå är tillförlitligheten viktigast ur konstruktionssynpunkt. För en GaAs HBT PA innebär detta att komponenten är uppbruten i parallella fingrar som är individuellt belastade för att förhindra lokal termisk rusning.

Nivå 2: Krets – utgångscellens topologi
För tillämpningar med hög effekt används en switch-konfiguration i klass E. På kretsnivå är ett viktigt steg att räkna ut hur många parallella komponenter som behövs för att uppnå hög utgångseffekt samtidigt som komponenten bibehåller en lång livslängd. Detta måste beaktas på kretsnivå eftersom kretskonfigurationen avgör effekt och verkningsgrad. Med maximal likström uppskattar vi topp-till-topp-strömmen och effekten för att bestämma antalet fingrar. Man kan också överväga att köra en elektrotermisk analys för att vara säker på att gränsskiktstemperaturen är i linje med förväntningarna.

Fig 2. Ett radioslutsteg i klass E med GaAs.

Förspännings- och effektstyrning utförs också på kretsnivå. I detta fall är förspänningsstyrkretsen placerad på en separat IC som är byggd med en CMOS-standardprocess. Styrningen simuleras med hjälp av ekvationsbaserade symboliska komponenter. En vanlig teknik för att styra uteffekten är att använda förspänning för effektkomponenten till spänningsmättning och styra matarspänningen med en regulator, men detta medför förlust. Det är viktigt att uppmärksamma förlusterna under varje steg på vägen. Försämringar kan vara till stor för- eller nackdel för en teknikuppsättning. Det är anledningen till varför vi följer metoden för "snabbt ökad komplexitet".

Fig 3. Förspännings- och effektstyrkrets.

Nivå 3: Gränssnitt – utgångsmatchning, kretskortslaminat
I den traditionella utformningen av impedansmatchning för klass E finns en resonator som förstärker kortslutningen av övertoner från omkopplingskondensatorn. Ett mer praktiskt utförande är dock en LC-standardmatchning där SMD-kondensatorer och kretskortsmonterade induktanser används för att transformera 50 ohm vid antennen till den lägre komponentnivåns impedans på ungefär 2 ohm. Det fungerar bra under förutsättning att shuntkondensatorn av klass E-typ är placerad nära komponenten.

Fig 4. Utgångens konstruktion för impedansanpassning.

För den fysiska konstruktionen använder vi ett 4-lagers kretskortslaminat med en dielektrisk FR4-kärna. Ett snabbt och effektivt sätt att konstruera induktansen är att parametrisera induktansens layout och sedan generera en elektromagnetisk modell (EM). Därefter används optimeraren för att komma fram till de exakta dimensionerna för att ge rätt induktansvärde.

Fig 5. Kretskortslayout med parametriserade induktanser.

Den parametriserade EM-modellprocessen upprepas för varje induktans, inkluderas i kretskonstruktionen och optimeras. Vi har ökat komplexiteten genom att ersätta idealiska kondensatorer med MuRata- SMD-kondensatorer med diskret värde. Optimering med dessa diskreta komponenter ger en konstruktion som går att förverkliga och underlättar ett snabbt tillägg av komplexitetsmetoden.

Fig 6. Krets-/EM-simulering och optimeringsinställningar.

Därefter simuleras utgångsmatchningen tillsammans med PA-kretsen. Vi upptäcker att effektiviteten på komponentnivå är opåverkad, men förlusten på grund av den icke-idealiska utgångsmatchningen orsakar en liten minskning av effektökningseffektiviteten (PAE) och Pout som förväntat. Det är dock fortfarande viktigt att noga övervaka de här förlusterna.

Nivå 4: Produkt – trådbondningar, integrera och simulera
Härnäst ska vi integrera kretskortslaminatet från den tidigare nivån med GaAs PA och koppla ihop det med trådbondningar i en 3,5 × 3,5 mm kapsel. För en snabb utvärdering ska vi enbart modellera det översta metallskiktet på GaAs-matrisen med laminatsubstratet och inkludera en EM-simulering av bondningstrådarna för att få en korrekt bild av deras induktans och ömsesidiga koppling. Detta ger en god uppskattning av de potentiella prestandaförsämringarna som kan inträffa på gränssnittsnivå, vilket man verkligen behöver när man utvärderar en teknikblandning.
Därefter fortsätter vi att tillföra mer realistisk komplexitet, t ex förbinda jordningsviorna på effektförstärkarens baksida med jordningen på kretskortslaminatet. När vi inledningsvis anslöt jordningsviorna på baksidan till kretskortslaminatets jord sjönk PAE med 9 procent och uteffekten föll med ~ 1,0 dB . Detta är en utmaning att åtgärda på produktnivå. Låt oss därför utnyttja de underliggande konstruktionsskikten för att lösa problemet. På gränssnittsnivå kan vi extrahera småsignalernas induktans hos den kombinerade vian och matrisytan. Då kan vi gå till kretsnivån och ersätta den idealiska vian med en punktformigt fördelad induktans för att felsöka problemet. Det är lätt att ändra belastnings- och källimpedans här på kretsnivå för att hitta en mer optimal kombination. Sedan går vi tillbaka till produktnivån och justerar utgångsmatchningen i enlighet därmed för att åtgärda problemet.
Det här är faktiskt ett mycket bra ställe att utgå ifrån när det gäller utvärdering av genomförbarheten på produktnivå – det finns flexibilitet att finjustera och optimera och alla stiftsignaler och sammanbindningar finns där.

Fig 7. En 3D-vy av en GaAs-baserad PA-modul på produktnivå.

Sammanfattning av GaAs-baserad teknikblandning
Vi har inkluderat exakta SMD-kondensatorer, uppskattningar för matriser och kapselstorlek och även ett första snitt för stiftsignalen. Från den här nivån kan man börja köra simuleringar på en högre systemnivå, tillsätta modulerade källor, utvärdera genomförbarheten av teknikblandningen och förstå avvägningarna.
Vid denna punkt är det en bra idé att se tillbaka på fördelarna och nackdelarna med detta tillvägagångssätt.
Fördelar:
• Det är enkelt
• Kretskortslaminat med SMD-tillvägagångssätt har flexibilitet
• Utgångsmatchningen kan finjusteras och har högt Q-värde
Nackdelar:
• Ytmonterade komponenter begränsar storleksminskning
• Förspänningstopologi försämrar PAE
• Minimal användning av de lägre laminatskikten

CMOS-baserad teknisk blandning
För den CMOS-baserade blandningen är styrkretsen integrerad på matrisen. Vi kunde sätta matchningstransformatorn på samma matris, men låt oss använda en integrerad passiv transformatorkomponent (IPD) för att bättre illustrera hur vi kan utvärdera en mindre konventionell teknikstrategi.

Nivå 1: Komponent – CMOS-modeller, tillförlitlighet och komponentstorlek
PA-komponenter är stora och omfattar höga spänningar, vilket är helt i strid med mindre CMOS-grindlängder. Eftersom transistorhanteringen bygger på en MOS-kondensator, är de dominerande tillförlitlighetsmekanismerna relaterade till genombrottsspänningar. RF-svinget  över halvledarövergångarna är begränsat till 2× komponentens driftsspänning, vilket gör RF-effekten över 1 watt till en utmaning.
Flera tillvägagångssätt måste användas för att minska den här tillförlitlighetsutmaningen och metoderna måste sträcka sig från krets- till gränssnittsnivå. En avvägning råder mellan uteffekt, total storlek och tillförlitlighet som vi kommer att utforska över olika nivåer med metoden för "snabbt tillagd komplexitet".

Nivå 2: Krets – utgångscell och belastning
En klass E-topologi fungerar bra i CMOS eftersom switch-mod i kombination med kaskodkonfigurationen ökar tillförlitligheten över både grind/drain och grind/source-övergångar. Effektkontroll sker i en sluten slinga genom avkänning av RF-signalen vid utgången och justering av förspänningen på översta kaskodkomponenten.
På kretsnivå delar en kaskodtopologi RF-spänningssvinget mellan de övre och nedre komponenterna och en differentialtopologi tudelar inspänningssving. En inledande varierande belastningsimpedans hos differentialkaskodtopologin av standardtyp avslöjar att spänningssvingen inte balanseras väl mellan den övre och nedre komponenten och den övre komponenten får högre sving. Med 2×V_d som gräns för tillförlitligheten ritar vi en cirkel på Smith-diagrammet som visar det opålitliga arbetsområdet. Tyvärr omfattar det effektförstärkarens hela användbara område.

Fig 8. I denna kaskodkonfiguration av standardtyp ser vi konturerna vid varierande belastningsimpedans (effekt = röd, PAE = blå, högsta spänning =ljusblå) och tillförlitlighet.

Det beror på att belastningsimpedansen i den nedre komponenten är nära en kortslutning eftersom kaskodgrindnoden är en virtuell jordning.
En mer praktisk topologi är en som möjliggör oberoende kontroll av denna impedans. I det här fallet bröts grindmatningarna för den övre komponenten upp och terminerades separat med en shuntkondensator. Med den nya konfigurationen kan spänningarna balanseras jämnare mellan komponenterna och det opålitliga arbetsområdet faller utanför effektförstärkarens användbara område.

Nivå 3: Gränssnitt – IPD-transformator, layout, optimera
Ett bra sätt att ta itu med tillförlitlighetsutmaningen på gränssnittsnivå är att använda en effektkombinerande transformator till att parallellkombinera flera staplar av komponenter till en enda belastning. Genom att göra så får varje enskild stapel mindre spänningssving.
I den här blandningen ingår en diskret transformator som baseras på en integrerad passiv komponent (IPD). Den har konstruerats på en 10 μm tjock metallbearbetning från företaget ON Semiconductor. Den transformatorstruktur vi använder bygger på en innovativ konstruktion som har publicerats av Song, Park, Lee och Hong. Varje primärlindning har olika färg och de vävs från yttre till inre lindningen när de går runt och de drivs differentiellt. Den sekundära lindningen är en lång serieinduktansspole till jordningen.

Fig 9. IPD-kombinationstransformator

Liksom för den GaAs-baserade blandningen parametriserar vi transformatorn och skapar en snabb, optimerbar EM-modell.
Simulering av den belastningsimpedans som transformatorn uppvisar indikerar att vi behöver tillföra förmatchningsinduktans till var och en av de primära lindningarna för att uppnå önskad belastningsimpedans i effektförstärkaren.

Nivå 4: Produkt – kombinera PA-cell, transformator och QFN-kapslar
Vi har fyra kraftceller, IPD-transformatorn, och vid ingången ska vi driva kretsen differentiellt genom att använda en 2:1-transformator plus en shuntmatchande induktans. Tömningseffektiviteten är i närheten av resultatet från varierande belastningsimpedans, men det finns en nedgång i PAE på grund av IPD-förmatchningsinduktansen.
Vi använder ett 4×4-mm QFN-standardkapsel från Amkor och lägger till 3D-bondningstrådar för att modellera den ömsesidiga induktansen och optimera. Eftersom strukturerna är differentiella, skiftar resultatet när man lägger till bondningstrådarnas ömsesidiga koppling. Återigen använder vi de lägre skikten av metoden "snabbt ökad komplexitet" för att förstå och ta itu med problemet. I det här fallet justerade vi trådbondningarnas höjd och närhet för att minimera kopplingen.

Fig 10. CMOS/IPD PA-optimeringsinställningar

Förutom att optimera för Pout och PAE måste vi också optimera för spänningssving över komponenterna och i värsta fall höga Vbatt-förhållanden. Spänningssvingen är bara knappt acceptabla men ytterligare åtgärder bör vidtas för att begränsa spänningssvingen genom bygling eller reglering av styrspänningen.
För att göra det enkelt att utvärdera den tekniska blandningen på paketnivå håller vi alla induktanser och transformatorer separata och optimerbara. Detta gör att man både kan förstå genomförbarheten och upprätthålla avstämbarhet i konstruktionen.

 Fig 11. CMOS-baserad PA-modul, produktnivå, 3D-vy

Sammanfattning av CMOS/IPD-teknikblandning
Det här är ett exempel på en helt annan teknikblandning jämfört med GaAs-strategin. Det finns vissa fördelar, såväl som ytterligare utmaningar.
Fördelar:
• CMOS/IPD-blandning är enkel och kompakt
• All matchning förverkligas i IPD
• Effektstyrningen är integrerad
Nackdelar:
• Måste vara fler komponenter i kaskoden för att undvika tillförlitlighetsproblem
• Begränsad impedansavstämbarhet med IPD-transformator
• Förmatchad induktansen gav oss lägre PAE än vi kunde ha uppnått

Jämförelse av de två teknikblandningarna
Vi har snabbt tillfört realistisk komplexitet och vi har slutfört två fungerande konstruktioner. Detta är rätt nivå för att jämföra två tekniker, inte på komponentnivå. Nu kan du börja titta på de två tillvägagångssätten och jämföra:
• Prestanda för modulerat utgångsspektrum
• Statistisk analys och avkastningsanalys med Design of Experiments
• Brus i angränsande band
• Kostnad, storlek, och tid-till-marknad
• Sourcing/flerläges utbyggbarhet

Sammanfattning och slutsatser
Med metoden för "snabbt ökad komplexitet" kan du jämföra två olika teknikblandningar som de ovan under en tidsram om veckor eller bara några dagar. Om du gör det elimineras risken att du väljer en dålig teknikblandning, utan att du behöver engagera dig i en fullständig konstruktion. Möjligheten att gå upp och ned genom nivåerna samtidigt som komplexiteten ökas snabbt med en iterativ konstruktionsstrategi är nödvändig.
För att genomföra denna metod behöver du:
• Tillgång till många olika tekniker och PDKer (GaAs, CMOS, IPD, kretskortslaminat, och paket)
• Inbyggd integrerad EM-simuleringsteknik (både enplans och full 3D)
• Möjlighet till parametrisering och optimering av fysisk layout tillsammans med kretsar
• Möjlighet att analysera prestanda med modulerade signaler
Metoden för "snabbt ökad komplexitet” är brett tillämpningsbar, avlägsnar konstruktionsrisker tidigt, lanserar produkten på marknaden snabbare och hjälper till att identifiera och lösa svåra problem som uppstår på högre integreringsnivåer.

Fig 12. Funktionen får snabbt ökad komplexitet.

På http://www.agilent.com/find/eesof-beyond-cmos-vs-gaas finns en inspelad presentation om detta ämne.
Matthew Ozalas, Senior RF Module Designer, Agilent Technologies

Om författaren:

Matthew Ozalas har en BSEE från Penn State University och MSEE samt MBA från Arizona State University in 2010. Under åren 2001 till 2005 arbetade han som en del av Advanced Wireless Department vid Mitre Corporation där han konstruerade RFIC och effektförstärkare för högfrekvens. Åren 2005 till 2013 arbetade han hos Skyworks Solutions i Santa Rosa Design Center med att konstruera och utveckla högvolyms multibands effektmoduler samt ingångsdelar till trådlösa handapparater. Han började hos Agilent EEsof under 2013 där han för närvarande arbetar som som Senior RF Module Designer och applikationsutvecklare.

Filed under: Halvledarteknik