Hocheffiziente CMOS-Schaltverstärkerstufen im Mikrowellenbereich

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Berroth
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 222284409

Heutige Hochfrequenzleistungsverstärker sind üblicherweise optimierte Endstufen im Klasse AB-Betrieb. In der Theorie erreicht der Klasse-A Betrieb eine Effizienz von maximal 50 % und der Klasse-B Betrieb eine Effizienz von maximal 78 %. Der Klasse-AB Betrieb erreicht maximale Effizienzen zwischen diesen beiden Werten. Demgegenüber stehen Schaltverstärker, die theoretisch eine maximale Effizienz von 100 % erreichen können und für breitbandige Mobilfunkanwendungen geeignet sind. Im Rahmen des Projekts soll ein CMOS-Schaltverstärker mit hohem Spannungshub für Funkanwendungen in mobilen Endgeräten entwickelt werden. Breitbandige Schaltverstärker mit steilen Flanken können mit verschiedenen Ansteuerungen, beispielsweise mit einer Pulsweitenmodulation oder mit einer delta-sigma-modulierten Phasenmodulation, verwendet werden und erreichen sehr hohe Leistungseffizienzen von über 70%. Durch den digitalen Ansatz ist der Schaltverstärker für alle Frequenzbereiche bis zu einer Maximalfrequenz geeignet. Durch die fehlenden analogen Komponenten wird die Migration zu fortgeschrittenen CMOS-Technologien erleichtert und die Ausbeute erhöht. Das Konzept der gestapelten MOSFETs mit digitaler Ansteuerung ermöglicht einen hohen Ausgangsspannungshub bei sehr hoher Bandbreite. Durch den hohen Ausgangsspannungshub kann bei gleicher Ausgangsleistung der Ausgangsstrom verkleinert werden. Im ersten Teil des Projektes konnte ein Schaltverstärker mit digital angesteuertem MOSFET-Stapel und 3-V-Ausgangsspannungshub entworfen, gefertigt und vermessen werden. Die Anstiegs- und Abfallzeiten betragen 100 ps. Die hohe Bandbreite wird durch ein Augendiagramm mit einer pseudozufälligen Folge bis 3 Gbit/s nachgewiesen. Die Pulsform des Verstärkers kann über analoge Einstellspannungen optimiert werden. Eine Verwendung mit bereits entworfenen Schaltkreisen ist damit möglich. Für den zweiten Teil des Projektes sollen folgende Ziele verfolgt werden: -Die analogen Einstellspannungen sollen durch eine digitale Ansteuerung ersetzt werden. -Die Verzögerungen für die digitale Ansteuerung der gestapelten MOSFETs kann im Schaltkreis des ersten Projektteils nicht direkt ermittelt werden. -Eine Analyseschaltung soll entworfen werden, mit der die relativen Verzögerungen aller Ansteuersignale zueinander bestimmt werden können. Ausgehend vom entworfenen 3-V-Schaltverstärker soll ein 6-V-Schaltverstärker mit einfacher Architektur entworfen werden. Bei gleichbleibendem Ausgangsstrom wird damit die Ausgangsleistung verdoppelt. Eines der Hauptprobleme der Mobilfunksignale ist das hohe Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung. Durch einen Verstärker mit einstellbarem Ausgangsspannungshub (1V, 2V oder 3V) soll ein wesentlicher Beitrag zur Effizienzsteigerung bei der Verstärkung von Mobilfunksignalen geleistet werden. Insbesondere die letzten beiden Projektziele adressieren wichtige Probleme in der Mobilkommunikation und stellen damit eine deutliche Erweiterung des Stands der Technik dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen