Два кремниевых PA: один держит 62 ГГц полосы, другой отдаёт 21% PAE

На зондовом столе лежат два разных кристалла, изготовленных одной группой и описанных в двух отдельных препринтах. SiGe BiCMOS-усилитель держит малосигнальное усиление в полосе 71–133 ГГц, шириной 62 ГГц. Рядом — 22-нм FD-SOI CMOS PA: на 50 ГГц он входит в компрессию при 18.1 dBm, то есть отдаёт 64.6 мВт, сохраняя 21% PAE. Почему чип с почти невероятной полосой заметно скромнее по мощности, а более узкий CMOS-усилитель оказывается столь эффективным?

Первый ответ лежит в том, что это два разных назначения передатчика. SiGe-чип рассчитан на верхнюю часть W-диапазона и нижнюю часть D-диапазона, где каждый кусок линии, переход и паразитная ёмкость уже участвуют в схеме. Его двухкаскадный каскод построен в 130-нм SiGe BiCMOS Infineon B11HFC. Авторы сначала подбирали нагрузку транзистора методом load-pull, затем синтезировали выходную и межкаскадную согласующие сети с характеристикой полосового фильтра. Такая сеть удерживает передачу широкой и ровной: от 75 до 128 ГГц усиление около 15.7 dB меняется менее чем на 1 dB.

За это приходится платить в режиме большой мощности. Измеренные Psat у SiGe PA составляют 8.8–11.7 dBm, а пиковая добавочная эффективность PAE — 7.2–11.1% в диапазоне 90–130 ГГц. Числа нельзя механически растянуть на всю полосу 71–133 ГГц: это именно границы малосигнальной характеристики по уровню −3 dB. Однако сама ширина такой непрерывной полосы меняет представление о возможностях одного монолитного усилителя. Для распределения гетеродина, коротких интегрированных линий связи и решёток из множества элементов полезнее один широкий тракт, чем набор узких настроенных каскадов.

CMOS-прототип решает противоположную задачу. В GlobalFoundries 22FDX+ авторы собрали полностью дифференциальный двухкаскадный каскод на транзисторах EDMOS с удлинённым стоком. На 50 ГГц он даёт 16.2 dB усиления, Psat 18.8 dBm и P1dB 18.1 dBm. Трансформаторные балуны одновременно переводят сигнал между однотактными пробниками и дифференциальным ядром, участвуют в согласовании и позволяют снять большую мощность с компактной структуры. Малосигнальная полоса лежит в пределах 47.1–53.8 ГГц, а при 46–54 ГГц P1dB остаётся выше 16.5 dBm.

PAE 21% относится строго к точке P1dB на 50 ГГц, где выход составляет 64.6 мВт; это не пиковый КПД на всём V-диапазоне и не значение при насыщении. Активное ядро занимает 0.028 мм², поэтому авторы заявляют плотность мощности 2.6 Вт/мм² для класса однопутевых двухкаскадных CMOS-каскодов. Сравнивать этот показатель между статьями нужно осторожно: у разных команд в площадь могут входить площадки, балуны и сети суммирования мощности.

Обе работы пока существуют как препринты arXiv и опираются на измерения самих авторов: S-параметры снимали на пробниках, мощность — в CW-режиме с внешним генератором и измерителем мощности. Но сами изготовленные кристаллы уже хорошо показывают развилку, которую умеет выбирать кремниевая RF-технология. Один PA превращает согласование в 62-гигагерцевый коридор для сигнала. Другой собирает десятки милливатт на 50 ГГц там, где CMOS долго считали слишком слабым и прожорливым.