Разработка функциональных блоков интегральной схемы приемника

миллиметрового диапазона длин волн по технологии КМОП 90 нм

Центр компетенции по беспроводным системам связи ННГУ им. Н.И. Лобачевского

С.А. Тихонов, А.В. Мавричев, А.А. Артеменко, А.А. Мальцев

г. Москва, октябрь 2014 г.

VI Всероссийская научно-техническая конференция«Проблемы разработки перспективных

микро- и наноэлектронных систем»

2

Перспективность использования миллиметрового диапазона

• Основные преимущества использования миллиметрового диапазона длин волн для систем радиосвязи:

– Высокая скорость передачи информации благодаря широкой полосе рабочих частот (IEEE 802.11ad - до 7 Гб/с на частоте несущей около 60 ГГц)

– Низкая интерференция из-за большого затухания при распространении и узкого луча диаграммы направленности антенны

– Нелицензируемые полосы частот

• Приложения миллиметрового диапазона:– Локальные и персональные системы радиосвязи (WiGig, 60 ГГц)– Радиорелейные линии передачи (60 ГГц, 71-76/81-86 ГГц)– Автомобильные радары для предотвращения столкновений

(диапазон 77 ГГц)– Системы радиовидения (от 30 до 90 ГГц)

• Актуальной проблемой для еще более широкого освоения миллиметрового диапазона является создание эффективной и дешевой электронной компонентной базы

3

Цель работы

Цель данной работы:

Разработка и экспериментальное исследование характеристик основных функциональных КМОП блоков СВЧ приемника прямого преобразования, работающего в диапазоне 57-64 ГГц

МШУ

Опорный Генератор

(30ГГц)

Умножительчастоты

Понижающийсмеситель

×2Разработанные функциональные блоки:‒ Малошумящий усилитель (МШУ)

‒ Понижающий смеситель

‒ Умножитель частоты

‒ Пассивные элементы(линия передачи, индуктивность, трансформатор)

4

Топология разработанной микросхемы

Топология микросхемы реализована с использованием технологической библиотеки элементов TSMC КМОП 90 нм, а также с применением предварительно разработанных распределенных моделей линии передачи и СВЧ контактных площадок

1 - Смеситель 2 - МШУ 3 - Умножитель частоты 4 - Планарная индуктивность 5 - Симметрирующий трансформатор 6 - Калибровочный набор

5

Измерительная установка

Измерительная установка на основе зондовой станции Cascade Microtech

Разработанная микросхема на тестовой печатной плате в измерительной

установке

• Микросхема, содержащая разработанные блоки, была изготовлена на фабрике TSMC (Тайвань)

– Дополнительно была разработана и изготовлена тестовая печатная плата для установки микросхемы в ходе проведения измерений

6

Распределенные элементы топологии (1/3):линия передачи

M9

M1

M2-M8

Воздух

Защитный слой

Подложка

межсоединения

ε = 1

WG

H

ε = εp

ε = ε1

ε = ε2

ε = εsub

Параметры линии Значение

Постоянная затухания (), дБ/мм

0,9

Фазовая постоянная (), рад/мм

2,49

Длина отрезка линии /4, мкм

630

Ширина центрального проводника (W), мкм

8

Расстояние до боковой металлизации (G), мкм

10

Характеристический импеданс, Ом

50

Структура линии передачи

* Структура слоев диэлектрика и металла определяется технологическим процессом фабрики TSMC

7

Распределенные элементы топологии (2/3):планарная индуктивность

Параметры индуктивности

Значение

Ширина проводника, мкм 4

Радиус спирали, мкм 25

Площадь без контактных площадок, мм2

0.1 х 0.1

Потери, дБ -1.5

Индуктивность, пГн 177

Паразитная емкость, фФ 9

Добротность 8

Частота , ГГц

Инд

укти

вно

сть

, пГн Модел.

Измерение

8

Распределенные элементы топологии (3/3):симметрирующий трансформатор

Параметры трансформатора

Значение

Ширина проводников, мкм 6

Диаметр, мкм 80

Площадь без контактных площадок, мм2

0.135 × 0.135

Потери преобразования, дБ

1.2

Амплитудная ошибка, дБ 2.2

30 40 50 60 70-15

-10

-5

Частота, ГГц

Зна

чени

е, д

Б

Модел.

Измерение

Коэффициент прохождения на один из дифференциальных выходов трансформатора

9

Схема разработанного МШУ

Цепи входного и выходного

согласования

Цепь промежуточного

согласования

Назначение: усиление слабого входного сигнала на входе приемника при минимизации коэффициента шума

8 Оптимизированная двухкакскадная архитектура (схемы с общим истоком + каскод)

М1 М2

М3

ВЧ вход

ВЧ выход

Vупр1

250 фФ

90 фФ

Vупр2

С1

С2

С3

250 фФ

800 мВ 850 мВ

26/0.1 50/0.1

70/0.1

L1

L2

80 мкм

60 мкм

1.5 В

10

Основные характеристики МШУ(результаты моделирования и измерения)

М1 М2

М3

ВЧ вход

ВЧ выход

Vупр1Vупр2

С1С2

С3

L1

L2

СП

120 фФ

LП

10 пГн

Паразитная емкость

Паразитная индуктивность

• Выявлена деградация КУ по сравнению с исходным моделированием на 4 дБ – Основная гипотеза - наличие

паразитных элементов в изготовленной микросхеме

40 45 50 55 60 65 70 75 80-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Частота, ГГц

Зна

чени

е, д

Б

Коэф.усиленияS

11, дБ

S22

, дБ

Коэф. шума

Модел.Измерение

11

Схема разработанного умножителя частоты

М1ВЧ вход30 ГГц

ВЧ выход60 ГГц

Vупр1

250 фФ

40 мкмС1

С3

500 мкм

225мкм

50мкм

25мкм

100мкм

250 фФ

25мкм

1070мкм

320 мВ

1/70

50мкм

1.2 ВЦепь выходного согласования в полосе 60 ГГц

Цепь входного согласования в полосе 30 ГГц

Назначение: удвоение частоты опорного гетеродина

12

Основные характеристики умножителя частоты(результаты моделирования и измерения)

0 10 20 30 40 50 60 70 80-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Частота, ГГц

Зна

чени

е, д

Б

S11

(модел.)

S11

(измерение)

S22

(модел.)

S22

(измерение)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 105

10

15

20

25

30

Мощность на входе, дБм

Зна

чени

е, д

Б

Коэф. преобразования (модел.)Коэф. преобразования (измерение)Подавление осн. гармоники (модел.)Подавление осн. гармоники (измерение)

Смещение полосы согласования по выходу на 5 ГГц связано с неточностью моделей линии передачи, используемых для согласования

Характеристики Значение

Потери преобразования, дБ

7.2

Подавление основной частоты, дБ

11.5

Потребляемая мощность, мВт

13

Занимаемая площадь, мм2

0.32

13

Схема разработанного смесителя

Переключающая пара

Буфер ПЧ

Согласующий симметрирующий

трансформаторЦепь входного согласования

Назначение: преобразование спектра СВЧ сигнала на низкую частоту

8 Балансная архитектура спредусилением

ВЧ вход110 мкм

250 мкм

М12.5/18

130мкм

250 фФ

0.15 нГн

М2 М31.7/18

ЛО вход

1 КОм 1 КОм

М43/12

М5

120 Ом 120 ОмПЧ выход

0.4В

500 фФ

0.75 В

λ/4, 640 мкм

0.15 нГн

1.2 В

14

Основные характеристики смесителя(результаты моделирования)

54 56 58 60 62 64 66 686

7

8

9

10

11

12

58.32 60.48 62.64 64.80FГЕТ ,ГГц

-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -60

2

4

6

8

10

12

Коэф

фи

ци

ен

т.

преобразо

ван

ия, д

Б

Частота входного сигнала, ГГц

Мощность гетеродина, дБм

P1dB, дБм: -17.4; -19.7; -21.5

Коэф. преобразования при разных частотах гетеродина

Коэффициент преобразования в зависимости от мощности сигнала гетеродина

FРЧ = 59.9 ГГц

PРЧ = -50дБм

FГЕТ = 60 ГГц

PГЕТ = -9 дБм

PРЧ = -50 дБм

Ширина полосы одного канала: ΔF ≈ 2.1 ГГц (по уровню -3дБ)

Коэф

фи

ци

ен

т.

преобразо

ван

ия, д

Б

15

Сравнение характеристик с аналогами

*результаты моделирования

МШУ [2] [4] [5] Данная работа

Коэф. усиления, дБ 14,6 9,4 18 10,5

Коэф. шума, дБ < 5,5 7 4,7 4,5 *

Потребляемая мощность, мВт 24 11 23,6 25,5

Смеситель [7] [8] [9] Данная работа*

Коэф. усиления, дБ 12 9,8 9.1 11

Коэф. шума, дБ 11,7 - 12* 13

Мощность гетеродина, дБм 13 5 - 5 - 9

Потребляемая мощность, мВт 8,8 14 16.8 29

Умножитель частоты [8] [10] Данная работа

Потери преобразования, дБ 7,1 11 7,2

Коэф. подавления осн. гарм., дБ 10,8 >10 11,5

Потребляемая мощность, мВт 13,7 4,5 13

16

Выводы

• Спроектированы топологии основных функциональных блоков КМОП приемника диапазона 57-64 ГГц: МШУ, понижающий смеситель, умножитель частоты

• Проведен расчет характеристик функциональных блоков с использованием результатов предварительного электромагнитного моделирования отдельных распределенных элементов схемы

• Проведено экспериментальное исследование характеристик разработанных блоков

• В дальнейшем планируется использовать разработанные функциональные блоки при создании радиочастотного модуля приемника, работающего в диапазоне 57-64 ГГц

Спасибо за внимание!

Контакты:Сергей Тихонов

sergey.tikhonov@wcc.unn.ru info@wcc.unn.ru

[2] Yao T., Gordon M.Q., Tang K. K. W., Yau K. H. K., Ming-Ta Y., Schvan P., Voinigescu S.P., “Algorithmic Design of CMOS LNAs and PAs for 60-GHz Radio” // IEEE JSSC. - 2007. - V.42. - № 5. - P. 1044 – 1057.

[4] Malignaggi A., Hamidian A., Ran Shu, Kamal A.M., Boeck G., “Analytical study and performance comparison of mm-wave CMOS LNAs” // EuMIC. - 2013. - P. 260 – 263.

[5] Wang C., Hao Y., Haiying Z., Kang K., Tang Z., “A 60GHz LNA with 4.7dB NF and 18dB gain using interstage impedance matching technique in 90nm CMOS” // IEEE ICMTCE. - 2011. - P. 270 – 273.

[7] Byeon C. W., Lee J. J., Song I. S., Park C. S., “A 60 GHz Current-Reuse LO-Boosting Mixer in 90 nm CMOS” // IEEE MWCL.-2012.-V.22.-№ 3.-P. 135 - 137.

[8] Kantanen M., Holmberg J., Karttaavi T., Volotinen J., “60 GHz Frequency Conversion 90 nm CMOS Circuits” // EuMIC. - 2008. - P. 60 – 63.

[9] Kraemer M., Ercoli M., Dragomirescu D., Plana R., “A wideband single-balanced down-mixer for the 60 GHz band in 65 nm CMOS” // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings. - 2010. - P. 1849 – 1852.

[10] Chen J., Yan P., Hong W., “A 50–70GHz frequency doubler in 90nm CMOS” // IEEE  IMWS. – 2012. - P. 1-3.

Список литературы