Ανάλυση και σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ασύρματων πομποδεκτών χαμηλής κατανάλωσης σε nm-CMOS τεχνολογίες

Abstract

This thesis deals with the design of integrated circuits for wireless, high frequency applications in modern sub-micron CMOS technologies. The difficulties introduced in high frequency design are mainly due to the intensive parasitics as well as the interferes because of the coupling between the components and the cables of the circuit itself and the interferes of the external environment. At high frequencies the value of the parasitics becomes comparable with the values of the circuit components and, therefore, they cannot be ignored. Furthermore, as technologies are scaling down, the short channel effects become more intense. The designer has to deal with such effects in order to achieve advanced circuit performance. In this thesis, the benefits, as well as the difficulties with which the designer has to deal as technology moves to geometries with smaller channel lengths are investigated. Wireless transceiver circuits are herein briefly presented. Moreover, two basic circuits for the RF transceiver, an LNA and a VCO, are analytically presented. A low noise amplifier (LNA), with magnetic feedback, operating from 5 to 6 GHz, which is implemented in the 90nm CMOS technology of IBM, is analytically presented. The low noise amplifier is one of the key circuits of modern wireless communication systems, as it is the first circuit in the receiver chain and its behaviour has a direct impact on the whole system. The LNA presented here introduces very good reverse isolation, while it is powered from a low voltage power supply of 1 Volt. The amplifier exhibits very low noise, due mainly to the inductive degeneration topology that is adopted. Moreover, the circuit achieves good linearity, without gain degradation. Because, mainly, of the low noise, as well as the good linearity that the circuit exhibits, the amplifier is suitable for wireless communication systems. The circuit of a quadrature VCO, for wireless communications, is also presented. The quadrature voltage controlled oscillator has a wide tuning range, is differentially tuned and introduces a digitally controlled technique in order for the dissipated current to be adjusted in each oscillation band. The circuit, which was fabricated in the 65nm, low power CMOS technology of IBM, exhibits low phase noise in the whole frequency range of operation, while it is powered from a low power supply of 650 mVolts. The quadrature VCO can be included in the design of a phase locked loop, such as a frequency synthesizer or an Σ — Δ modulator. An article that presents the work done on the low noise amplifier circuit was accepted for publication in an approved, international journal. Another article referring to the short channel effects in sub-micron technologies and how they are described in a model used by circuit simulators, namely the EKV-model, has been published in the proceedings of an international conference. Moreover, part of the entire work has been also presented in two international conferences. Finally, the results of the most recent work, referring to the voltage controlled oscillator are about to be send for review in another approved international journal.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με το σχεδίασμά ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ασύρματων πομποδεκτών υψηλών συχνοτήτων σε σύγχρονες CMOS τεχνολογίες. Τα κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων παρουσιάζουν ιδιομορφίες, κυρίως λόγω των έντονων παρασιτικών που αναπτύσσονται στις συχνότητες αυτές καθώς και των αναπόφευκτων παρεμβολών λόγω σύζευξης μεταξύ των στοιχείων και των καλωδίων του ίδιου του κυκλώματος όπως και του κυκλώματος και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Στις υψηλές συχνότητες, τα παρασιτικά φαινόμενα είναι συγκρίσιμου μεγέθους με τις υπόλοιπες χωρητικότητες και τις επαγωγές του κυκλώματος και δεν μπορούν να αγνοηθούν. Επιπλέον, η μετάβαση σε τεχνολογίες με χαρακτηριστικά μήκη καναλιού μερικών δεκάδων νανομέτρων, έχει ως αποτέλεσμα τα φαινόμενα μικρού μήκους καναλιού, short channel effects, να εμφανίζονται εντονότερα. Τις ιδιαιτερότητες αυτές, των σύγχρονων τεχνολογιών, καλείτε να λάβει υπ' όψιν του και να αντιμετωπίσει ο σχεδιαστής, ώστε να επιτύχει τη σχεδίαση κυκλωμάτων με βελτιωμένη συμπεριφορά. Στην παρούσα διατριβή μελετάται ο τρόπος με τον οποίο τα φαινόμενα μικρού μήκους καναλιού επιδρούν στη σχεδίαση, σε υψηλές συχνότητες. Γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των κυκλωμάτων ασύρματων πομποδεκτών, ενώ αναλύονται διεξοδικά δύο κυκλώματα ιδιαίτερης σημασίας για τον ασύρματο πομποδέκτη, ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου LNA και ο ελεγχόμενος από τάση ταλαντωτής VCO. Ένας ενισχυτής χαμηλού θορύβου, με μαγνητική ανατροφοδότηση, ο οποίος λειτουργεί στα 5 με 6 GHz και έχει υλοποιηθεί στη CMOS τεχνολογία των 90 nm της IBM παρουσιάζεται αναλυτικά. Το κύκλωμα του ενισχυτή χαμηλού θορύβου είναι από τα βασικότερα κυκλώματα των σύγχρονων ασύρματων επικοινωνιών, καθώς είναι το πρώτο στην αλυσίδα του δέκτη και η συμπεριφορά του επηρεάζει όλη την υπόλοιπη δομή. Το κύκλωμα αυτό παρουσιάζει πολύ καλή απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου, ενώ λειτουργεί υπό χαμηλή τάση τροφοδοσίας (1 Volt) και έχει ιδιαίτερα χαμηλό θόρυβο, εξ αιτίας του inductive degeneration που υλοποιεί. Ο ενισχυτής παρουσιάζει πολύ καλή γραμμικότητα χωρίς, να υποβαθμίζεται το κέρδος του. Ο χαμηλός θόρυβος του κυκλώματος και η σχετικά καλή γραμμικότητά του, τον καθιστούν κατάλληλο για την υλοποίηση ενός σύγχρονου RF front-end. Ένας ταλαντωτής, μεγάλου εύρους λειτουργίας, ελεγχόμενος από τάση, με διαφορικό έλεγχο συντονισμού και ρύθμιση του ρεύματος ανάλογα με τη συχνότητα λειτουργίας έχει υλοποιηθεί στη, χαμηλής κατανάλωσης, CMOS τεχνολογία, των 65 nm, της IBM. Το κύκλωμα δίνει τέσσερα, όμοια σήματα στην έξοδό του, τα οποία έχουν 90° διαφορά φάσης. Ο ταλαντωτής λειτουργεί υπό χαμηλή τάση (650 mV) και παρουσιάζει ιδιαίτερα χαμηλό θόρυβο, σε όλο το εύρος λειτουργίας του. Ο ελεγχόμενος από τάση ταλαντωτής μπορεί να συμπεριληφθεί σε ένα βρόχο κλειδώματος φάσης (phase locked loops, PLL) για την υλοποίηση, για παράδειγμα, ενός συνθέτη συχνοτήτων ή ενός Σ — Δ διαμορφωτή. Ένα άρθρο, που συμπεριλαμβάνει τα αποτελέσματα της εργασίας, που αφορά στον ενισχυτή χαμηλού θορύβου, έχει γίνει δεκτό για δημοσίευση σε έγκριτο διεθνές περιοδικό. Επίσης, ένα ακόμα άρθρο, το οποίο αναφέρεται στα έντονα φαινόμενα που παρουσιάζονται σε τεχνολογίες με χαρακτηριστικό μήκος καναλιού της τάξεως του μικρόμετρου και την περιγραφή τους από ένα τέτοιο μοντέλο και συγκεκριμένα το ΕKV, έχει δημοσιευτεί σε πρακτικά διεθνούς συνεδρίου, ενώ μέρος της συνολικής μέχρι τώρα δουλειάς, έχει παρουσιαστεί σε δύο διεθνή συνέδρια. Τέλος, τα αποτελέσματα της εργασίας, που αφορά στον ελεγχόμενο από τάση ταλαντωτή, έχουν επίσης σταλεί προς δημοσίευση σε έγκριτο διεθνές περιοδικό.