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V-band low noise amplifier and mixer design using 90 nm CMOS technology
Malignaggi, Andrea
This thesis is the result of more than three years research work at TU Berlin. Several radio frequency integrated circuits have been designed in a commercial CMOS technology, the TSMC 90nm, and measured on-wafer within the project WiONet. The author of this work has been focused on the design of the receiver part of a V-band high data-rate millimetre-wave transceiver and particularly on two important building blocks such as lownoise amplifier and down-conversion mixer. At first, the specifications of the receiver and its sub-blocks have been extracted applying to the planned transceiver system the requirements obtained by the IEEE 802.15.3c standard. Afterwards, a deep study of the passive and active components provided by the technology and a careful characterization of the structures to be used have been carried out in order to get familiar with the technology and optimize its use. The noise behaviour of several amplifier and mixer topologies has been deeply studied, leading to the design and the characterization of several CMOS circuits. Finally, a four stage fully differential common source low noise amplifier and a fully differential Gilbert cell with resonating current bleeding network have been chosen for being part of the WiONet system. Both circuits showed state of the art performance in terms of gain, linearity, noise and power consumption. Furthermore, they fulfil the system requirements within the whole V-band.
Diese Dissertation ist das Ergebnis von mehr als drei Jahren Forschung an der TU Berlin. Mehrere integrierte Hochfrequenz-Schaltungen wurden innerhalb des Projekts WiONet in einer kommerziellen CMOS Technologie, TSMC 90nm, entwickelt und gemessen. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines V-Band Transceivers im Millimiterwellenbereich für künftige Anwendungen mit sehr hohen Datenübertratungsraten. Der Autor dieser Arbeit hat sich auf den Entwurf des Receivers, insbesondere auf die zwei wichtigen Elemente, rauscharmer Verstärker und Abwärtsmischer, konzentriert. Die Spezifikationen des Receivers und dessen Untereinheiten wurden aus den geplanten Transceiver-Anforderungen entnommen, basierend auf dem IEEE 802.153c Standard. Anschließend wurden die von der Technologie bereitgestellten passiven und aktiven Komponenten gründlich untersucht und eine gewissenhafte Charakterisierung der genutzten Strukturen durchgeführt, um mit der Technologie vertraut zu werden und ihren Nutzen zu optimieren. Das Rauschverhalten mehrerer Verstärker- und Mischer-Architekturen, welche zu dem Design und der Charakterisierung verschiedener CMOS-Schaltungen führte, wurde analysiert. Schlussendlich wurde ein vierstufiger volldifferenzieller, rauscharmer Verstärker in Source-Schaltung, sowie eine volldifferenzielle Gilbert Zelle mit resonantem current bleeding Netzwerk als Teil desWiONet Systems gewählt. Beide Schaltkreise entsprechen bezüglich Verstärkung, Linearität, Rauschen und Leistungsaufnahme dem Stand der Technik. Außerdem genügen sie den Systemanforderungen im kompletten V-Band.
