Kombinierte Emitter- und Basis-Ansteuerung in Leistungsverstärkern für effiziente 6G-Kommunikationstechnik im Millimeterwellenbereich

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538373584

Für die 6G-Kommunikationssysteme der Zukunft stoßen bestehende Leistungsverstärker (PA) -Konzepte an physikalische Grenzen. Die hohen Betriebsfrequenzen erfordern aggressiv skalierte Halbleiter, die nur noch kleine Durchbruchspannungen und Signalhübe liefern. Somit erzeugen die Sättigungsspannungen immer höhere Verluste. Dadurch sinken die Wirkungsgrade kontinuierlich. Lösungen dieses Grundlagenproblems sind deshalb essenziell. Aufgrund ihrer hohen Effizienz basieren PAs auf einer Common Source/Emitter Stufe, wo die Source/Emitter-Spannungen konstant sind bzw. auf Masse liegen. Wang et. al. schlug kürzlich ein neues Konzept namens Dual-Drive vor. Um Verwechslungen mit der Multi-Drive-Transistor-Stapelung zu vermeiden, nennen wir dieses neue Konzept CEBE (Combined Emitter and Base Excitation). Dabei treibt das Eingangssignal nicht nur das Gate/Basis-Terminal, sondern über einen Koppler auch den Source/Emitter-Knoten, so dass sich Ausgangsspannungshub und Wirkungsgrad erhöhen. Bisher wurde ein sehr effizienter CEBE CMOS PA bis 35 GHz auf ISSCC 21 publiziert. Basierend auf einer Studienarbeit simulierten wir einen ersten CEBE BiCMOS PA und verifizierten die Vorteile. Da es bisher nur sehr wenige Arbeiten zu CEBE-PAs gibt, bietet das Thema viel Raum für vertiefte Untersuchungen und Erweiterungen. Wir möchten den CEBE-Ansatz eingehend bis zu den höchsten sinnvollen Betriebsfrequenzen, von etwa 220 GHz, untersuchen. Für die Hardware-Realisierung wird schnellstes SiGe-BiCMOS (IHP SG13G3) eingesetzt. Deren verlustarmer Kupferstapel eignet sich hervorragend für verlustarme CEBE-Koppler. 6G erfordert hohe Linearitäten und Bandbreiten. Daher analysieren wir nicht nur, wie der CEBE-Koppler den Spannungshub und Wirkungsgrad steigern kann, sondern erstmals auch, wie durch die dem CEBE-Koppler innewohnende, induktive Gegenkopplung gleichzeitig auch die Linearität und Bandbreite verbessert werden. Wir untersuchen neue CEBE Ansätze mit Phasenschiebern, um die Phasenanforderungen an den CEBE Koppler und Verstärkerkern zu senken. Wir erforschen neuartige Ansätze, z.B. die Kombination von CEBE mit Transistorstapelung, bei der zusätzlich zur Basis und dem Emitter der Emitterstufe auch die Basen der zusätzlichen, gestapelten Transistoren durch Derivate des Eingangssignals moduliert werden, um die Ausgangsleistung bei hohem Wirkungsgrad zu erhöhen. Verschiedene CEBE-Koppler-Ansätze werden modelliert und verglichen, z.B. symmetrisch vs. asymmetrisch, Kante vs. Breitseite, Hybridkombinationen inkl. U-Typ usw. Kompromisse, z.B. hinsichtlich CEBE-Kopplungsfaktor, Ausgangshub, Effizienz, Bandbreite, Linearität, Robustheit gegenüber Prozessschwankungen und Verstärkung werden untersucht. Die CEBE-Theorie wird erweitert - so werden technologie-übergreifende Gleichungen hergeleitet, die z.B. den Einfluss der Kopplerverluste auf den PA aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen