Millimeter-wave circuits for frequency synthesis and phase shifting

Abstract

This thesis presents the study, the design and the implementation of two of the most important components of the RF front-end of a modern transceiver. More specifically, an innovative 100 GHz phase shifter as part of a 100 GHz ABF and two innovative Voltage Controlled Oscillators (VCOs), as parts of a 20 GHz PLL and a 60 GHz PLL were designed and implemented. The proposed phase shifter is a combined architecture passive phase shifter, which consists of different types of passive phase shifters. The combined architecture benefits from the advantages of each phase shifter, whereas it avoids their drawbacks. This phase shifter was designed and implemented in a 140nm SiGe BiCMOS technology and this architecture led to an compact phase shifter, which achieves a phase error rms of 1.97º, a Phase to Gain (P2G) error rms of 0.69 dB in a bandwidth of 92 – 100 GHz whereas it has an average loss of 14.61 dB at 96 GHz. The 20 GHz VCO was designed and implemented in a 65 nm CMOS technology and it was measured in the PLL system under free running conditions. It operates in a large bandwidth of 17.43 – 22.43 GHz range and it is suitable for E-band and unlicensed 60 GHz band applications. The VCO uses a varactor along with banks of capacitors to implement 16 overlapping bands giving the ability to cover both E- band systems. This VCO achieves a phase noise of -100.01 dBc/Hz at 1MHz offset. The 60 GHz VCO was also designed and implemented in a 65 nm CMOS technology. Its architecture uses a linearized varactor along with a CPW based inductor and an array of capacitors to cover a frequency range 55.55-61.47 GHz. This implementation leads to a low ΔKVCO of 21% and it achieves a phase noise of -99.6 dBc/Hz at an offset of 1 MHz from the carrier. The measurements results confirmed the superior performance of these designs and proved that these concepts can contribute to the design of a high performance modern wireless communication system.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν, σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν δύο από τα σημαντικότερα κυκλώματα που απαρτίζουν το RF front-end ενός σύγχρονου πομποδέκτη. Πιο συγκεκριμένα σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν ένας μετατοπιστής φάσης με συχνότητα λειτουργίας τα 100 GHz και δύο ταλαντωτές ελεγχόμενοι από τάσης με συχνότητες λειτουργίας 20 GHz και 60 GHz. Η αρχιτεκτονική του προτεινόμενου μετατοπιστή φάσης είναι ένας συνδυασμός από τοπολογίες παθητικών μετατροπέων φάσης. Αυτή η αρχιτεκτονική εκμεταλλεύεται τα πλεονεκτήματα κάθε τοπολογίας που την απαρτίζει, ενώ αποφεύγει τα μειονεκτήματα τους. Αυτός ο μετατοπιστής φάσης σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε σε μία 140 nm SiGe BiCMOS τεχνολογία και πετυχαίνει phase error με rms τιμή 1.97º, phase to gain error με rms τιμή 0.69 dB σε ένα εύρος λειτουργίας 92 – 100 GHz. Τέλος έχει κατά μέσο όρο απώλειες 14.61 dB στα 96 GHz. Ο ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση με συχνότητα λειτουργίας τα 20 GHz σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε σε μία 65 nm CMOS τεχνολογία και μετρήθηκε σαν μέρος ενός βρόγχου κλειδωμένης φάσης κάτω από “free running” συνθήκες. Ο ταλαντωτής λειτουργεί σε ένα εύρος συχνοτήτων 17.43 – 22.43 GHz και είναι κατάλληλος για εφαρμογές στην Ε μπάντα συχνοτήτων και στην μη αδειοδοτημένη μπάντα των 60 GHz. Ο ταλαντωτής χρησιμοποιεί μία varactor σε συνδυασμό με μία συστοιχία πυκνωτών ώστε να καλύψει ολόκληρη την Ε μπάντα συχνοτήτων, ενώ πετυχαίνει θόρυβο φάσης -100.01 dBc/Hz στο 1MHz απόσταση από τον φορέα. Ο ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση με συχνότητα λειτουργίας τα 60 GHz σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε επίσης σε μία 65 nm CMOS τεχνολογία. Η αρχιτεκτονική του χρησιμοποιεί μία γραμμικοποιημένη varactor σε συνδυασμό με ένα πηνίο βασισμένο σε έναν ομοεπίπεδο κυματοδηγό και μία συστοιχία πυκνωτών ώστε να καλύψει ένα εύρος συχνοτήτων 55.55-61.47 GHz. Αυτή η αρχιτεκτονική εμφανίζει μικρές διαφοροποιήσεις σε ό,τι αφορά το κέρδος του ταλαντωτή ελεγχόμενου από φάσης και πετυχαίνει θόρυβο φάσης -99.6 dBc/Hz στο 1MHz απόσταση από τον φορέα. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων επιβεβαίωσαν τα πολύ καλά χαρακτηριστικά αυτών των κυκλωμάτων και απέδειξαν ότι κυκλώματα αυτά μπορούν να συνεισφέρουν στο σχεδιασμό σύγχρονων υψηλών απαιτήσεων συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας.