Nanoscale RF CMOS transceiver design

Abstract

Η παρούσα διατριβή, παρέχει κατευθυντήριες γραμμές για σχεδίαση RF κυκλωμάτων, πολύ χαμηλής κατανάλωσης, εστιάζοντας στην σχεδίαση ενισχυτών χαμηλού θορύβου (LNA). Για τον σκοπό αυτό, έχει υλοποιηθεί, μετρηθεί, χαρακτηριστεί και μοντελοποιηθεί τεχνολογία 90 nm της TSMC, από συνθήκες μηδενικής συχνότητας (DC) μέχρι RF. Οι παρασιτικές χωρητικότητες που εμφανίζονται στις μετρήσεις RF και θορύβου, λόγω της ύπαρξης των δομών για την ηλεκτρική επαφή (pads) και των γραμμών μεταφοράς, έχουν αφαιρεθεί από τις δομές που μελετήθηκαν, μέσω συγκεκριμένων τεχνικών (de-embedding). Ο θερμικός θόρυβος των CMOS διατάξεων έχει μελετηθεί μέσω παραμέτρων θορύβου, οι οποίες μοντελοποιούνται και επαληθεύονται μέσω μετρήσεων για πρώτη φορά, για διάφορα μήκη καναλιού, ως προς έναν χαρακτηριστικό δείκτη αναστροφής στο κανάλι του MOS transistor, ονόματι δείκτης αναστροφής. Το βέλτιστο σημείο πόλωσης για την ελαχιστοποίηση του θορύβου, επιτυγχάνεται κοντά σε μέτρια επίπεδα αναστροφής και φαίνεται να μετατοπίζεται προς το μέσο της περιοχής μέτριας αναστροφής, με την μείωση του μήκους καναλιού. Η RF απόδοσή των ενεργών δομών της τεχνολογίας μελετάται μέσω χαρακτηριστικών δεικτών απόδοσης, οι οποίοι εξετάζονται ως προς το μήκος καναλιού και τον δείκτη αναστροφής, παρουσιάζοντας αντίστοιχη συμπεριφορά με τους δείκτες θορύβου.Τα αποτελέσματα επικυρώνονται με το συμπαγές μοντέλο EKV3.Εντέλει, παρουσιάζονται εφαρμογές όλων των παραπάνω χαρακτηριστικών απόδοσης, σε ολοκληρωμένα κυκλώματα ενισχυτών χαμηλού θορύβου. Η βέλτιστη απόδοση ενός cascode LNA στα 5 GHz επιτυγχάνεται κάνοντας χρήση του εξαχθέντος EKV3 μοντέλου, χρησιμοποιώντας τις κατευθυντήριες γραμμές που προτείνονται στα πλαίσια της διατριβής. Ο ενισχυτής πολώνεται στην περιοχή της μέτριας αναστροφής, επιτυγχάνοντας πολύ υψηλή απόδοση, λαμβάνοντας υπόψη όλους τους επιμέρους δείκτες απόδοσης, όπως κέρδος, θόρυβος, κατανάλωση,