Design of a CMOS amplifier for millimeter-wave frequencies

Abstract

Nopeiden langattomien tiedonsiirtojärjestelmien kehitys on edistänyt integroitujen piirien tutkimusta ja suunnittelua millimetriaaltoalueella. Tulevaisuuden sovelluksiin kuuluvat mm. huippunopea langaton lähiverkko 60 GHz:n ympäristössä ja autotutka 77 GHz:n taajuudella. Tällä hetkellä mm-aaltoalueen tarjoamia etuja, joita ovat mm. laajat lupavapaat taajuuskaistat ja vähäiset häiriöt muista langattomista laitteista, ei juurikaan hyödynnetä kuluttajasovelluksissa. Syynä on ollut käytettyjen yhdistepuolijohdeprosessien hinta ja valmistuksen toistettavuus. Pii-pohjaisen CMOS-teknologian nopea viivanleveyden kaventuminen on mahdollistanut mm-aaltoalueen integroitujen piirien suunnittelemisen digitaalisten piiriosien kanssa täysin yhteensopivilla prosesseilla. Integrointiasteen kasvattaminen tuo säästöjä ja lisää tuotteiden luetettavuutta, jotka ovat molemmat erittäin tärkeitä ominaisuuksia tuotannon kannalta.

Tässä työssä esitellään mm-aaltoalueen vahvistimen suunnittelemiseen liittyvää teoriaa ja sen soveltamista käytännön piirisuunnitteluun. Lisäksi tutkitaan passiivisten ja aktiivisten piirielementtien mallinnusta piirisuunnittelun kannalta. Suunniteltu vahvistin on tarkoitettu kattamaan osa nk. E-taajuusalueesta (60-90 GHz). Täysi yhteensopivuus digitaalisten piiriosien kanssa saavutetaan käyttämällä 65 nm:n pii-pohjaista CMOS prosessia ilman lisäoptioita. Simuloitu suorituskyky vahvistetaan mittauksin, jotka tapahtuvat suoraan pii-piiriltä mittakärkien avulla. Poikkeamat simuloiduista tuloksista käsitellään, niiden syyt paikannetaan ja vahvistetaan uusilla simulaatioilla. Vahvistimen mitattu keskitaajuus on 86 GHz, jolla saavutetaan 12 dB:n vahvistus ja 8.8 dB:n kohinaluku käyttäen 1.2 V:n käyttöjännitettä. Vahvistimen pinta-ala on vain 0.42 mm2. Tulokset ovat vertailukelpoisia, tai parempia, kuin muilla julkaistuilla 80-100 GHz:n taajuusalueella toimivilla CMOS vahvistimilla.