Wideband Active CMOS Mixer Design for a 60-110 GHz Receiver

Abstract

The millimeter wave (mmWave) frequency band between 30 GHz and 300 GHz has become increasingly attractive for high data rate communication applications due to high bandwidths available for communication systems in the frequency band and continuous advancements in high-frequency integrated circuit technologies improving mmWave circuit performance. Especially advancements in CMOS technology have rendered mmWave electronics compelling as the technology offers better availability, lower manufacturing costs, and higher level of integration than compound semiconductor processes, which have been more conventional in radio frequency applications. Thus, CMOS mmWave systems have been a growing topic in research and commercial application development.

This thesis presents the design of a wideband active CMOS downconversion mixer for a 60-110 GHz mmWave phased array receiver chip. This thesis presents related background theory on mixers and compares active and passive mixer structures. The thesis justifies the selection of an active mixer topology for this design especially because of their better performance with an unideal sinusoidal LO signal typical for mmWave frequencies. The thesis also explores design techniques used in published research to achieve high performance for a Gilbert cell mixer at high frequencies and low supply voltages, namely peaking inductors and unequal mixer stage biasing. The designed mixer structure comprises a modified Gilbert cell mixer, a common-source LO buffer, and an IF amplifier. The mixer has been designed in a 22 nm FDSOI CMOS process and its layout area is 0.13 mm2. The mixer structure achieves a peak conversion gain of 7.7 dB and an input frequency band of 60-143 GHz with an output frequency band of 0.1-15 GHz. It achieves a minimum double sideband noise figure of 13.0 dB and an input 1 dB gain compression point of -9.8 dBm, which are suitable for the application and roughly in the same range as comparable published mixers. The mixer consumes 18.4 mW of power, the LO buffer consumes 13.2 mW, and the IF amplifier consumes 4.6 mW from a 0.8 V supply. The mixer is sent to manufacturing as a part of a two-channel phased array receiver circuit and as a part of a stand-alone structure chip with individually measurable elements.

Millimetriaaltoalue, eli taajuusalue välillä 30 - 300 GHz, mahdollistaa suuret tiedonsiirtonopeudet, sillä taajuusalue sallii suuret kaistanleveydet kommunikaatiojärjestelmille, ja puolijohdeteknologioiden kehitys mahdollistaa jatkuvasti suurempitaajuisten piirien tehokkaan toiminnan. Etenkin CMOS-teknologian kehitys tekee millimetriaaltoelektroniikasta houkuttelevaa, sillä CMOS-teknologia tarjoaa matalammat valmistuskulut, paremman saatavuuden ja korkeamman integraatiotason, kuin radiotaajuuksilla perinteisesti käytetyt yhdistepuolijohteet. Siksi CMOS-millimetriaaltoelektroniikka on kasvava aihe tutkimuksessa, sekä kaupallisten sovellusten kehityksessä.

Tämä maisterityö esittää laajakaistaisen aktiivisen CMOS-taajuussekoittimen suunnittelun 60 - 110 GHz vaiheistetun antenniryhmän millimetriaaltovastaanottimeen. Työ esittää sekoittimiin liittyvää teoriaa ja vertailee aktiivisia ja passiivisia sekoittimia. Työ perustelee aktiivisen sekoitinrakenteen valinnan työssä perustuen erityisesti aktiivisen sekoittimen parempaan suorituskykyyn millimetriaaltoalueelle tyypillisellä epäideaalisella sinimuotoisella LO-signaalilla. Työssä esitellään lisäksi tekniikoita saavuttaa korkea suorituskyky Gilbertin solu -sekoittimelle korkeilla taajuuksilla ja matalilla käyttöjännitteillä. Tutkitut tekniikat ovat kompensaatioinduktanssien käyttö ja sekoittimen asteiden erilainen biasointi. Työssä suunnitellussa sekoittimessa on aktiivinen, muunneltu Gilbertin soluun pohjautuva sekoitinrakenne, yhteislähde-LO-puskuri ja IF-vahvistin. Työssä sekoitin on suunniteltu 22 nm FDSOI CMOS -prosessilla, ja sen pinta-ala on 0.13 mm2. Sekoittimen maksimivahvistus on 7.7 dB, sen tulotaajuuskaista on 60 - 143 GHz, ja sen lähtötaajuuskaista on 0.1-15 GHz. Sekoittimen kohinaluku on 13.0 dB, ja sen 1 dB kompressiopiste on -9.8 dBm, mitkä ovat sopivia arvoja sekoittimen käyttötarkoitukseen suunnitellussa vastaanottimessa ja karkeasti samalla tasolla vastaavien julkaistujen sekoittimien kanssa. Sekoittimen tehonkulutus on 18.4 mW, LO-puskurin tehonkulutus on 13.2 mW, ja IF-vahvistimen tehonkulutus on 4.6 mW 0.8 V käyttöjännitteellä. Työssä suunniteltu sekoitin on lähetetty valmistukseen kaksikanavaisen vaiheistetun antenniryhmän vastaanotinpiirin, sekä elementtien erillisen mittauksen mahdollistavan testirakennepiirin osana.