자동차 전장 부품 및 기술 동향
글: 자우-주니어 린(Jau-Jr lin) 외 / RF, 아날로그 및 센서 그룹
프리스케일 / www.freescale.com
이는 90nm LP(low power) 1P6M CMOS 기술의 77GHz 자동차 레이더 애플리케이션용 전력 증폭기에 대한 논문이다. Pin=1.9dBm에서 3단 싱글 엔디드 PA의 게인과 포화 출력은 각각 12.4dB와 +9.1dBm이며 2단 차동 PA의 게인과 포화 출력은 각각 11.3dB와 +11.4dBm이다. 이 논문은 77GHz 범위에서 전체 자동차 온도 범위(-40℃~125℃)의 CMOS PA 특성을 최초로 보고한다.
개발 위험 최소화를 위한 제안
자동차 제조업체와 정부가 교통사고 방지와 부상 방지에 초점을 맞춤에 따라 자동차 안전 전자 부품에 대한 관심이 빠르게 증가하고 있다. 77GHz 자동차 레이더 애플리케이션에는 기본적으로 SiGe HBT 기술이 채택되어 왔다[1], [2]. 서브 마이크로 CMOS 기술의 발전으로 유니티 전류 게인 주파수, fT, 최대 가용 전력 게인, fmax가 증가함에 따라 CMOS의 구현으로 저가의 고집적 77GHz 자동차 레이더의 실현을 위한 잠재적 경로가 제공되고 있다. 77GHz CMOS 레이더를 실현하기 위한 핵심 블록은 전력 증폭기(PA)이다. 2008년 최초의 77GHz PA가 발표된 이후 이 분야의 연구가들이 증가하고 있다[3]-[7].
이 논문에서는 회로 제작을 위해 100GHz/130GHz의 프리스케일 90nm LP CMOS(fT/fmax)를 사용하였다. 사용된 백엔드 프로세스에는 0.85um 두께의 최종 금속을 사용한 6층의 구리가 있다. 특성 임피던스가 50Ω인 마이크로스트립 선로의 감쇠는 60GHz에서 1.0dB/mm 및 80GHz에서 1.2dB/mm이다[8].
이 논문에서는 입력 및 출력 인덕터형 변압기가 있는 3단 싱글 엔디드 PA와 2단 차동 PA의 설계 개념에 대해 설명한다. 싱글 엔디드 PA는 77GHz에서 12.4dB 게인과 +9.1dBm Psat를 나타내며, 72GHz의 차동 PA는 Pin=1.9dBm에서 11.3dB 게인과 +11.4dBm 출력을 나타낸다. VDD=1.0V일 때 차동 PA는 Pin=1.9dBm에서 여전히 10.5dB 게인과 +10.4dBm 출력을 나타낸다.
자동차의 안전장치와 마찬가지로, 자동차 레이더는 광범위한 온도 범위와 고온에서 작동할 수 있어야 한다[1]. 이는 77GHz 범위에서 전체 자동차 온도 범위 특성(-40°C~125°C)이 보고되는 최초의 CMOS PA이다.
전력 증폭기 설계
그림 1(a)는 3단 공통 소스 PA의 설계도이다. 공급 전압(VDD)은 1.2V이며 게이트 바이어스 전압(Vgs)은 모든 3단에 대해 0.9V이다. 디바이스 크기는 각 단에 대해 40μm(20핑거), 80μm(40μm(20핑거)x2) 및 80μm(40μm(20핑거)x2)를 선택했다.
그림 1 (a) 3단 싱글 엔디드 PA의 회로도. (b) 입력 및 출력 변압기가 있는 2단 차동 PA의 회로도
그림 1(b)는 입력 및 출력 변압기가 있는 2단 차동 PA의 설계도이다. VDD(1.2V) 및 Vgs(0.9V)는 싱글 엔디드 PA와 같다. 디바이스 크기는 모두 80μm(40μm(20핑거)×2)이다. 입력 및 출력 변압기는 전력 결합 및 분할을 위해 매칭 및 밸런스-언밸런스 변환에 대한 임피던스 변환을 동시에 수행한다[9]. 변압기는 또한 입력단을 위한 게이트 바이어스 전압(Vgs)과 출력단을 위한 공급 전압(VDD)을 제공한다. 두 개의 수직 직사각 변압기가 M6-AP(알루미늄) 층을 사용하여 두 개의 결합 인덕터로 구현되었다.
DC 바이어스와 전류는 M6 층을 통하며 전기적 이동(Electromigration)을 피하기 위해 DC 전류는 알루미늄 층을 통하지 않는다.
그림 2 (a) 3단 싱글 엔디드 PA의 마이크로그래프. 칩 크기: 1.0x0.6mm2. (b) 입력 및 출력 변압기가 있는 2단 차동 PA의 마이크로그래프. 칩 크기: 0.56x0.5mm2
입력 변압기의 크기는 26x36μm2, 트레이스 폭은 5μm이며, 출력 변압기의 크기는 30x42μm2, 트레이스 폭은 6μm이다. 이 기술은 110°C에서 125°C로 단위 폭당 최대 전류 밀도를 크게(~65%) 낮추어 준다. 즉, 메탈 트레이스 폭이 같을 경우 125°C의 최대 허용 전류는 110°C에 비해 최대 35%에 불과함을 의미한다. 뿐만 아니라, 출력 변환기는 VDD에 연결되어 출력단에서 두 개의 80μm 폭 NMOS 트랜지스터에 큰 전류를 제공함으로써 125°C에서 전류를 수용할 수 있도록 출력 변환기의 트레이스 폭을 충분히 넓게 선택하여 신뢰성 문제를 회피한다. 그림 2는 싱글 엔디드 PA와 차동 PA의 마이크로그래프이다. 패드를 포함한 싱글 엔디드 PA의 칩 크기는 1.0x0.6mm2이며 패드를 포함한 차동 PA의 칩 크기는 0.56x0.5mm2이다.
측정 결과 및 논의
3단 싱글 엔디드 PA의 |S11|, |S22| 및 |S21| 측정값이 그림 3에 나와 있다. |S11| 및 |S22| 측정값은 모두 27°C에서 75 ~ 79GHz 범위 -10dB 미만이다. 피크 |S21|은 약 78GHz이며, 피크 주파수와 게인은 온도 변화에도 크게 변화하지 않는 경향을 보인다. |S11|, |S22| 및 |S21| 측정값은 타겟 작동 주파수(76 ~ 77GHz)를 충족한다. 피크 |S21| 값은 -40°C, 27°C, 85°C, 125°C에 대해 각각 약 17.3dB, 12.4dB, 7.6dB 및 4.9dB이다. 온도 범위에서 게인 변동값은 이전 데이터[8] 및 기타 연구 결과[5]와 일치한다.
그림 3 27°C에서 싱글 엔디드 PA의 |S11|, |S22| 및 |S21| 측정값. -40, 85, 125°C에서의 |S21| 측정값도 표시
고온에서 게인 저하의 원인은 CMOS 트랜지스터 gm의 감소와 고온에서 Rg의 급격한 상승으로 인해 낮아진 fT/fmax와 주로 관련되어 있다. 그림 4에 표시된 바와 같이 이 싱글 엔디드 PA의 포화 출력(Psat)은 -40°C, 27°C, 85°C, 125°C에서 각각 약 +10.0dBm, +9.1dBm, +7.6dBm 및 +6.8dBm이다. 그림 4에는 또한 -40°C, 27°C, 85°C, 125°C에서 각각 약 10.3%, 7.6%, 3.9% 및 2.2%인 최대 전력 부가 효율(PAE)이 나와 있다. 온도 범위에서 10dB 이상의 작은 신호 게인 저하에도 불구하고 Psat는 -40°C에서 125°C까지 3.2dB만 달라진다. 이는 [5], [8]과 일치한다.
그림 4 72GHz 및 -40, 27, 85, 125°C에서 3단 싱글 엔디드 PA의 출력 및 PAE 측정값
2단 차동 PA의 |S11|, |S22| 및 |S21| 측정값은 그림 5에 나와 있다. |S11| 및 |S22| 측정값은 모두 27°C에서 70.5부터 74.5GHz까지 -10dB 미만이다. 피크 |S21|은 약 72GHz이며, 피크 주파수와 게인은 온도 변화에도 크게 변화하지 않는 경향을 보인다. 테이프아웃 동안 비효율적인 변환기 모델로 인해 |S11|, |S22|, |S21| 측정값은 타겟 주파수(76~77GHz)를 충족하지 않는다.
중앙 주파수는 최적화 설계로 조정 가능하다. 피크 |S21| 값은 -40°C, 27°C, 85°C, 125°C에 대해 각각 약 16.1dB, 11.3dB, 7.6dB 및 5.2dB이다. 온도 범위에서 피크 게인 변동값은 또한 싱글 엔디드 PA 및 [5], [8]과 일치한다.
그림 5 27°C에서 차동 PA의 |S11|, |S22| 및 |S21| 측정값. -40, 85, 125°C에서의 |S21| 측정값도 표시
그림 6은 72GHz에서 차동 PA의 출력 및 PAE 측정값을 보여 준다. 외부 전력 증폭기 작동 주파수(75GHz ~ 79GHz)의 한계로 인해, 프로브 팁의 최대 사용 가능 전력은 72GHz에서 +1.9dBm이며, 이 값은 27°C, 85°C, 125°C에서 Psat 값을 갖기에 충분하지 않다. Pin=1.9dBm에서 측정한 출력은 27°C에서 +11.4dBm이다. 싱글 엔디드 PA 결과 및 [5], [8]에 기초하여, Psat은 -40°C에서 27°C까지 약 1 ~ 1.5dB 떨어져야 한다. -40°C에서 Psat=+13.7dBm 값이 측정되었듯이, 이 차동 PA의 추정 Psat은 27°C에서 약 +12.5dBm이어야 한다. 연구가들은 또한 HCI(Hot Carrier Injection) 저하로 인한 CMOS PA의 신뢰성 문제를 다루고 있다[5]. HCI 효과를 줄이는 한 가지 방법은 낮은 VDD를 사용하는 것이다. 그림 6에서 볼 수 있듯이, VDD=1.0V 및 27°C에서 이 차동 PA는 10.5dB 선형 게인, +10.4dBm Pout 및 Pin=1.9dBm의 10.7% PAE를 가진다.
[8]에서 언급한 것과 같이, 실제 애플리케이션에 구현할 때는 온도 범위에서 PA 포화를 유지하고 게인 차이를 보상하기 위해 추가 가변 게인 제어 단계가 필요하다.
그림 6 72GHz 및 -40, 27, 85, 125°C에서 2단 차동 PA의 출력 및 PAE 측정값
결론
90nm CMOS 프로세스의 1.2V 저누설 NMOS 트랜지스터를 사용하여 3단 싱글 엔디드 PA와 2단 차동 PA를 구현했다. 이 논문에서는 또한 고온에서 금속의 최대 전류 밀도 허용치, HCI(Hot Carrier Injection) 등의 신뢰성 문제와 CMOS PA 특성의 온도 의존성을 논의했다. 표 I에는 싱글 엔디드 PA와 차동 PA 외에도 약 77GHz에서 작동하는 다른 CMOS PA의 성능도 함께 나와 있다. 이번 연구에서 차동 PA는 가장 작은 칩 영역 소비를 가지며 1.0V 및 1.2V 공급 전압에 대해 최고 출력, 최고 P1dB 및 최고 PAE를 나타내고 있다. 이 CMOS PA는 온도로 인한 게인 차이를 보상하기 위한 추가 게인 단계를 가지고 있어 자동차 레이더 애플리케이션에 폭넓게 적용될 가능성이 있다.
참고문헌
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⑼ D. Chowdhury, P. Reynaert, and A. M. Niknejad, "A 60GHz 1V + 12.3dBm Transformer-Coupled Wideband PA in 90nm CMOS," IEEE ISSCC Dig., pp.560-561, Feb 2008.
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