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Conception d'amplificateur de puissance en technologie CMOS 65nm pour les applications WPAN à 60GHz, Design of 60ghz 65nm CMOS power amplifier

De
214 pages
Sous la direction de Eri Kerhervé
Thèse soutenue le 06 décembre 2010: Bordeaux 1
Le développement d'objets communicants dédiés aux applications Wireless Personal Area Network (WPAN) à 60GHz vise des débits de l'ordre du GBit/sec. Pour satisfaire la contrainte de faible coût, la technologie CMOS silicium est la plus adaptée. L'utilisation de cette technologie est un challenge en soi afin de concilier les aspects « pertes & rendement » vis à vis des contraintes de puissance. Le but de la thèse est de concevoir des amplificateurs de puissance opérant à 60GHz avec la technologie CMOS 65nm de STMicroelectronics. Cette démarche est progressive car il convient d'analyser puis d'optimiser les performances des composants passifs et actifs constituant l'amplificateur de puissance à l'aide des logiciels de simulations électromagnétique et microélectronique. Finalement, des amplificateurs de puissance ont été réalisés et leurs performances répondent au cahier des charges initialement défini.
-Amplificateurs de puissance
-Cmos
-Wpan
-60GHz
Telecommunication industry claims for increasing data rate in wireless communication systems. The major demand of high data rate applications concerns a large panel of home multimedia exchanging data especially for the uncompressed HD data transfer. The 7GHz band around 60GHz is free of use and fulfils the short range gigabit communication requirements. CMOS technology is most appropriate since it drives a fast time to market with a low cost for high integration volume. However, the use of CMOS technology is challenging to satisfy loss and performance trade-off under power constraints. This thesis aims at designing power amplifiers operating at 60GHz with 65nm CMOS technology from STMicroelectronics. This approach is progressive because it is necessary to analyze and optimize the performance of passive and active components constituting the power amplifier using electromagnetic and microelectronics software. Finally, power amplifiers have been made. Their performances met specifications originally defined.
-Power Amplifiers
-Cmos
-Wpan
-60GHz
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14165/document
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◦N d’ordre : 4165
Thèse
présentée à
L’Université Bordeaux 1
Ecole doctorale des Sciences Physiques et de l’Ingénieur
par Sofiane ALOUI
Pour obtenir le grade de
Docteur
Spécialité : électronique
—————————
Design of 60GHz 65nm CMOS Power Amplifier
Soutenance prévue le 6 Décembre 2010
Après avis de :
M. Georg Boeck Professeur Technischen Universität Berlin Rapporteur
Patrice Gamand HDR NXP Semiconductors Rapporteur
Devant la commission d’examen formée de :
M. Didier Belot Expert ST Microelectronics Industriel
Georg Boeck Professeur Technischen Universität Berlin Rapporteur
Melle. Nathalie Deltimple MCF IPB Bordeaux Examinateur
M. Yann Deval Professeur IPB
Patrice Gamand HDR NXP Semiconductors Rapporteur
Eric Kerhervé Professeur IPB Bordeaux Directeur de thèse
Robert Plana LAAS Toulouse Co-Directeur de thèse” La raison sans passion n’est qu’un roi sans sujet”Remerciements
A mes parents,
A mon épouse Claire,
A mon proche François Rivet.4Contents
List of Abbreviations 17
List of Notations 21
Introduction 25
1 Overview of PA design for 60GHz WPAN applications 29
1.1 60GHz WPAN background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.1.1 Power devices: CMOS, a key for the future . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.1.2 60GHz band overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.1.3 60GHz transceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.2 60GHz WPAN PA design issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.2.1 PA fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.2.2 Modulation issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.2.3 Scaling technology issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.2.4 High frequency issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.3 60GHz CMOS technology PA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.3.1 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.3.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.4 Thesis contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2 Passive device optimization 69
2.1 Design flow process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.1.1 High frequency considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.1.2 Simulation approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.1.3 Measurement setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.2 Passive Device Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.2.1 Transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.2.2 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
56 Contents
2.2.3 RF-pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3 60GHz PA Design 115
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.2 PA design methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2.1 PA architecture choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.2.2 Power stage design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.2.3 Driver stage design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.2.4 Matching network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2.5 Stability analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.3 Single-ended PA design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.3.1 Passive device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.3.2 Active device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.3.3 PA description and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.4 Differential PA design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.4.1 Balun design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.4.2 PA design description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.4.3 PA measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.5 Comparison with the state of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.6 Future works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.6.1 Co-integration PA/emmiter in SoC configuration . . . . . . . . . . . . . . 171
3.6.2 Co-in PA/transceiver in SiP . . . . . . . . . . . . . 172
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Conclusion 175
Publications 179
Bibliography 181
A Preliminary PA design - Circuit 1 193
A.1 Active device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
A.2 Passive device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
A.3 PA description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196Contents 7
A.4 Simulation and measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.4.1 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.4.2 Measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
B Preliminary PA design - Circuit 2 201
B.1 PA description and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
B.1.1 Small signal performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
B.1.2 Large signal performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
B.1.3 Performance improvements with load pull setup . . . . . . . . . . . . . . . 205
B.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
C PA Characterization for OFDM modulated signal 207
C.1 Two-tone simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
C.2 PA response to OFDM modulated signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
C.2.1 Transmitter building blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
C.2.2 ACPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
C.2.3 EVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
C.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2138 ContentsList of Figures
1.1 Semiconductor market share . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2 Silicon ability to target millimeter Wave applications . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3 System combining MIMO and beam-forming techniques . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4 Comparison of wireless standards-setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.5 Millimeter-wave applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6 Oxygen absorption at 60GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.7 NEC’s AlGaAs/InGaAs transceiver module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.8 IBM’s SiGe single-chip 60GHz transceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.9 IMEC’s 45nm 60GHz front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.10 WPAN spectrum overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.11 60GHz WLAN/WPAN applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.12 Heterogenous devices in the 60GHz WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.13 Building blocks of a SHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.14 60GHz CMOS single chip radio block diagram based on SHT . . . . . . . . . . . 44
1.15 Building blocks of a DCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.16 Block diagram and die micrograph of a 60GHz DCT . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.17 The SDRT principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.18 Chip micrograph of the 60GHz six-port transceiver based on SDRT . . . . . . . . 47
1.19 Characteristic parameters of a PA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.20 P versus P with a SW signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51out in
1.21 OFDM signal generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.22 P versus P with a modulated signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54out in
1.23 System linearity FoM of a communication system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.24 BSIM3 model considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.25 BEOL of different silicon technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.26 60GHz PA realizations in time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.27 60GHz PA in 130nm based on T-lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
910 List of Figures
1.28 60GHz PA in 130nm based on 3D lumped inductors . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.29 60GHz PA in 65nm based on baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.30 PA in parallel topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1.31 Chip micrography of a current combining PA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.32 60GHz PA measured large signal parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.33 Building bloc of a power-combining PA based on mmW transformer power combiner 65
2.1 Design flow process of passive device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.2 Skin depth effect vs. frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.3 Frequency-dependent return current path in a CPW line . . . . . . . . . . . . . . 73
2.4 A 65nm CMOS BEOL structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.5 Agilent mmW VNA (10MHz to 110GHz) photography . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.6 SOLT method circuits photographies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.7 Open method parasitic extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.8 Open short method parasitic extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.9 Impact of de-embedding methods on T-line measurement results . . . . . . . . . 80
2.10 Main T-lines structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.11 Characterization of a MS line and a CPW line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.12 Electric field distribution in a MS line and a CPW line . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.13 A RLCG T-line model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.14 Simulated and measured RLCG parameters of a CPW line (w,G) = (10μm, 6.5μm) 91
2.15 A distributed RLCG T-line model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.16 Determination of T-line T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92r
2.17 Z of different T-line structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92c
2.18 Attenuation in a CPW line (w,G) = (10μm, 6.5μm) . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.19 Octagonal inductor structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.20 Inductor lumped model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.21 Performances of the octagonal inductor model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.22 Inductor lumped model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.23 lumped model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.24 Effect of shielding inductor on L and Q at mmW frequencies . . . . . . . . . . . 99
2.25 Effect of the RF strip design on L and Q at mmW . . . . . . . . . . 100
2.26 Inductive mutuals in a square inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.27 Current distribution with illustration of the mutual effect . . . . . . . . . . . . . 101
2.28 Die photographies of the two square inductors, S = 6.5μm and S = 15μm . . . . 103
2.29 Simulated vs. Measured L of the two inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103