eumic-ldmos presentation final - linköping...

Post on 19-Aug-2020

5 Views

Category:

Documents

0 Downloads

Preview:

Click to see full reader

TRANSCRIPT

A  linear  32.8  dBm  2.4  GHz    LDMOS  power  amplifier  in  65  nm  CMOS  

 Ted  Johansson,  Olof  Bengtsson,  Sara  Lo5i,  Lars  

Vestling,  Hans  Norström,  Jörgen  Olsson,  and  Chris=an  Nyström  

Outline  

•  Background:  WLAN  IC  technology  roadmap  •  PA  device  design  in  65  nm  CMOS  •  Testchip  •  Results:  DC,  RF  small-­‐signal,  LP,  PA,  reliability    •  Summary,  conclusion  

WLAN  IC  technology  roadmap  

1st/2nd  genera=on  WLAN  circuits  consisted  of  several  chips:  -­‐  WiFi  BB  in  digital  CMOS  -­‐  Separate  Bluetooth  chip  -­‐  WiFi  RF  in  BiCMOS  with  SiGe  BJT    

PA  

Today  a  single  chip  solu=on  is  wanted  using  advanced  CMOS.    But:  -­‐  SiGe  is  not  available  -­‐  Power  MOSFET  is  needed  

for  PA    

Nanoradio  AB  

To  obtain  maximum  power  into  a  load:    -­‐  use  high  supply  voltage    

 technology  (foundry  technology,  with  or  without  process  add-­‐ons)    circuit  solu=on  that  can  handle  higher  voltage,  e.g.  cascodes    select  PA-­‐class  with  low  voltage  swing  (rela=ve  to  Vdd)  

-­‐  use  power  combinaJon  (use  current  instaed  of  voltage)    low  load,  and  transforma=on  to  50  Ω.    differen=al  amplifiers  (larger  devices  possible  to  use  with  same  matching)    power  combina=on  using  passive  networks,  e.g.  inductor  or    transformers  

 Put  all  "bells  and  whistle"  together  to  achieve  a  good  PA!      

Challenges  of  PA  design  in  nm  technologies  

To  obtain  maximum  power  into  a  load:    -­‐  use  high  supply  voltage    

 technology  (foundry  technology,  with  or  without  process  add-­‐ons)    circuit  solu=on  that  can  handle  higher  voltage,  e.g.  cascodes    select  PA-­‐class  with  low  voltage  swing  (rela=ve  to  Vdd)  

-­‐  use  power  combinaJon  (use  current  instaed  of  voltage)    low  load,  and  transforma=on  to  50  Ω.    differen=al  amplifiers  (larger  devices  possible  to  use  with  same  matching)    power  combina=on  using  passive  networks,  e.g.  inductor  or    transformers  

 Put  all  "bells  and  whistle"  together  to  achieve  a  good  PA!      

Challenges  of  PA  design  in  nm  technologies  

Design  of  CMOS  WLAN-­‐PA    Specifications  (similar  to  SiGe  HBT/Si  BJT  from  exisJng  WLAN  products):      VDD=3.3  V        

   =>  BVCBO  or  BVDSS  >6-­‐7  V,  up  to  10  V  for  ruggedness    RON  around  2  Ωmm      ION  >  500  mA/mm    fT  >  20  GHz    fmax  >  20GHz      Digital  CMOS  in  65  nm  has  technology  that  is  very  hard  to  use  for  PAs:        

 Vdd=1-­‐1.5  V    Tox=1.2-­‐1.8  nm        Lg=30-­‐50  nm  

 IO-­‐devices  with  Lg=350-­‐500  nm  for  2.5  –  3.3  V  opera=on,  with  thicker  gate  oxide  exist        

 

Challenges:  -­‐ Protect  gate  oxide  from  high  electric  fields  -­‐  reliability  -­‐ Design  extended  drain  drih  region  for  op=mum  current  drive  and  breakdown  voltage  

Different  HV  MOSFET  architectures  in    bulk  CMOS  

Ref.  Bianchi  CICC'09  

Different  HV  MOSFET  architectures  in    bulk  CMOS  

Ref.  Bianchi  CICC'09  

RF-­‐LDMOS  design  •  65  nm  foundry  CMOS  process  (no  process  changes  possible)  •  No  extra  mask  layers  (only  drawing  layers  for  mask  genera=on)  =>    RF-­‐LDMOS  (EDMOS)  has  been  developed.    

 Test  chip  manufactured  at  foundry.    

2.5  x  4  mm2  

DC  and  RF  small-­‐signal  results  W/L  =  200/0.35  (10  fingers*20  um,  1  unit  cell)  

 •  BVDSS  >  10  V    •  RON  ≈  2  Ωmm      •  ION  >  600  mA/mm  •  fT=25  GHz  •  fmax=30  GHz  

•  Specifica=on  filled!  

Load-­‐pull  measurements  

G   D  

S  

S  

S  

S  

40  

30  20

 

10  

0  

-10 -25 -15 -5 5 15

P OU

T (d

Bm

) PIN (dBm)

AB 30% A*

25  15

 5

 -5

 -15

-25 -15 -5PIN (dBm5) 15 25

P OU

T (d

Bm

) AB 10% AB 30% A*

Vdd=3.3  V  2.45  GHz  

Vdd=5  V  5.8  GHz  

Very  good  performance  at  both  frequency  bands  and  at  higher  supply  voltage.  P-­‐1dB>1W,  50%  eff  

GSG  test  transistors  for  load-­‐pull,  W=2.8  mm  (14  unit  cells).    

•  Target  Pout,peak  >30  dBm  =>  WLAN  modulated  20-­‐24  dBm  signal.  

•  Differen=al  PA  =>  4x  beper  impedance  levels.  

•  Total  transistor  width  =  5.6  mm  (W=2  x  2.8  mm,  2  x  14  unit  cells).  

•  Reference  design:  conven=onal  cascode  with  2  x  3.3  V  IO  transistors.  

PA  measurements  

Direct  bonding  on  PCB  

Soldered  test  board  

PA  results  

Reliability  DC  stress  performed  at  high  electric  field  and  typical  quiescent  current  for  class  AB.    IDQ  drih  is  caused  by  electron  injec=on  in  the  gate  oxide  resul=ng  in  increase  of  threshold  voltage.    

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

101 102 103 104 105 106 107 108 109

Drift in IDQ

∆ID

(%)

Time (sec)

10 years

Vg=1.5 V, Vd=5.4 V

Less  than  2%  driU  at    10  years  (extrapolated)  

Summary  •  Developed  LDMOS  transistors  meet  performance  requirement  

•  WLAN  PA  with  power-­‐MOSFET  possible  in  65nm  CMOS  

•  Solu=ons  scalable  for  PA  down  to  28  nm  for  SoC  WLAN,  pico-­‐basesta=ons,  and  other  RF-­‐ICs.  

Hans  Norström  (UU),  Klas-­‐Håkan  Eklund  (Comheat),  Lars  Vestling  (Comheat/UU),  Ted  Johansson  (LiU),  Sara  Lo5i  (UU),  Jörgen  Olsson  (UU)   Christian  Nyström  (Nanoradio)  

BACKUP  

Linear  class-­‐AB  design  Vdrain  <=  2  Vdd  

Alterna=ve  A:  using  conven=onal  circuit  solu=on  that  can  tolerate  2Vdd  at  drain,  a  cascode:  

PA  core,    incl.  =edown  and  sub  con    two-­‐transistor  cascode,  upper  T  using  twell,  capacitor  to  gnd  (CB),  gate  to  Vdd.  

Linear  class-­‐AB  design  Vdrain  <=  2  Vdd  

Alterna=ve  B:  using  device  that  can  tolerate  high  Vdd  at  drain,  such  as  an  EDMOS  device:  

PA  core,    incl.  =edown  and  sub  con  

Full  cascode  circuit  in  Cadence,  including  input/output  diff  matching.  EDMOS  similar  schema=cs.  

Test  board  layout  

2-­‐lagers  Au-­‐pläterat  t=508  um  er=4,2    4,0  x  2,9  mm2  

Evalua=on  

Evalua=on  

WLAN  PA  •  Transistors  with  5.6  mm  width  mounted  on  PCB  and  characterized  at  

Nanoradio  AB.  Differen=al  PA,  Vdd=3  V,  f=2412  MHz  P-­‐1dB  =  32,5  dBm  (1,8  W).  Class  AB,  efficiency  over  50  %  for  unmodulated  signal.  

Load-­‐pull  measurements  GSG  test  transistors  for  load-­‐pull,  W=2.8  mm.    

G  

S  

S  

D  

S  

S  

Very  good  performance  at  both  frequency  bands  and  at  higher  supply  voltage.  P-­‐1dB>1W,  50%  eff  

WLAN  modulated  signal    802.11g,  f=2412  MHz,  54  Mbps  OFDM  

Both  EDMOS  and  Cascode  reference  pass  frequency  mask  test  up  to  the  limits  of  the  used  signal  source  (peak  Pout  >27  dBm).  

EDMOS     Cascode  2xIO  

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

8  

9  

10   15   20   25  

EVM  [%

]  

Pout  (peak)  [dBm]  

Cascode  

EDMOS  

EVM  measurement  (linearity)  shows  less  linearity  for  the  EDMOS  compared  to  the  Cascode  reference.  If  this  comes  from  device  performance,  or  matching  circuit  condi=ons,  is  not  fully  clear.  

top related