Integrierte gestapelte CMOS-Schaltverstärker für den Mobilfunk

Abstract

Die Entwicklung der Mobilfunkkommunikation entwickelt sich zur Übermittlung immer höherer Datenraten. Dies wird erreicht, indem zum einen höherwertige Modulationsverfahren eingesetzt werden und zum anderen die Signalbandbreite erhöht wird. So sind in der aktuellen Spezifikation vom zukünftigen Mobilfunkstandard NR (engl. new radio)/5G Signalbandbreiten bis zu 100 MHz ohne Kanalaggregation vorgesehen. Zum Vergleich beträgt die maximale Bandbreite eines Kanals beim aktuellen Mobilfunkstandard LTE/E-UTRA/4G 20 MHz. Diese zwei Punkte führen bei den heutigen hauptsächlich linearen Verstärkerarchitekturen zu folgenden Problemen: durch die höherwertigen Modulationsverfahren steigert sich das Verhältnis der maximalen zur mittleren Leistung der Signale. Dadurch müssen die linearen Verstärker im Mittel mit einer geringeren Ausgangsleistung als maximal möglich betrieben werden, um Verzerrungen im Ausgangssignal zu vermeiden. In diesem Betrieb sind lineare Verstärker aber zunehmend ineffizient. Verstärkerarchitekturen wie Doherty-Verstärker oder Outphasing-Verstärker können die Effizienz der linearen Ausgangsstufe zwar wieder erhöhen, allerdings auf Kosten eines Ausgangsfilters, welcher die Bandbreite des Verstärkers limitiert. Dies wirkt der gewünschten Erhöhung der Bandbreite für zukünftige Mobilfunkstandards entgegen. Schaltverstärker, welche auch als digitale Verstärker bezeichnet werden, haben diese Problematik nicht. Nach Überführung des Eingangssignals in eine Pulsfolge können die Pulse verstärkt werden. Hierbei muss statt des Verhältnisses der maximalen zur mittleren Leistung die Kodiereffizienz berücksichtigt werden. Bei der Verstärkung der Pulse hat ein Schaltverstärker dabei prinzipbedingt eine sehr hohe Bandbreite. Ein weiterer Vorteil ist die theoretisch verlustlose Verstärkung der Pulse. Im Vergleich ist die maximal mögliche Effizienz von linearen Verstärkern bereits theoretisch begrenzt. Aus diesem Grund sind Schaltverstärker ein interessanter Forschungsgegenstand im Hinblick auf zukünftige Mobilfunkgenerationen. In dieser Arbeit werden deshalb integrierte Schaltverstärker untersucht. Bei der Wahl der Technologie wird ein CMOS-Knoten gewählt. Diese Silizium-Technologie ist im Vergleich zu den Alternativen kostengünstiger und der 65 nm-Knoten bietet ausreichend hohe Schaltgeschwindigkeiten, um den unteren Frequenzbereich von NR zumindest teilweise abdecken zu können. Vorteilhaft ist zudem die Möglichkeit der gemeinsamen Integration mit einem CMOS-Signalprozessor. Aus diesen Gründen werden die integrierten Schaltungen dieser Arbeit in der 65 nm-CMOS-Technologie von ST Microelectronics entwickelt. Ein Problem der Transistoren in dieser Technologie ist die geringe Durchbruchspannung, mit welcher ohne Anpassnetzwerke kaum Ausgangsleistung erzeugt werden kann. Um den Ausgangshub erhöhen zu können, werden die Transistoren gestapelt angeordnet. Diese gestapelten Strukturen sind Kern dieser Arbeit.