Design of Frequency divider with voltage vontrolled oscillator for 60 GHz low power phase-locked loops in 65 nm RF CMOS

Increasing memory capacity in mobile devices, is driving the need of high-data rates equipment. The 7 GHz band around 60 GHz provides the opportunity for multi-gigabit/sec wireless communication. It is a real opportunity for developing next generation of High-Definition (HD) devices. In the last two decades there was a great proliferation of Voltage Controlled Oscillator (VCO) and Frequency Divider (FD) topologies in RF ICs on silicon, but reaching high performance VCOs and FDs operating at 60 GHz is in today's technology a great challenge. A key reason is the inaccuracy of CMOS active and passive device models at mm-W. Three critical issues still constitute research objectives at 60 GHz in CMOS: generation of the Local Oscillator (LO) signal (1), division of the LO signal for the Phase-Locked Loop (PLL) closed loop (2) and distribution of the LO signal (3). In this Thesis, all those three critical issues are addressed and experimentally faced-up: a divide-by-2 FD for a PLL of a direct-conversion transceiver operating at mm-W frequencies in 65 nm RF CMOS technology has been designed. Critical issues such as Process, Voltage and Temperature (PVT) variations, Electromagnetic (EM) simulations and power consumption are addressed to select and design a FD with high frequency dividing range. A 60 GHz VCO is co-designed and integrated in the same die, in order to provide the FD with mm-W input signal. VCOs and FDs play critical roles in the PLL. Both of them constitute the PLL core components and they would need co-design, having a big impact in the overall performance especially because they work at the highest frequency in the PLL. Injection Locking FD (ILFD) has been chosen as the optimum FD topology to be inserted in the control loop of mm-W PLL for direct-conversion transceiver, due to the high speed requirements and the power consumption constraint. The drawback of such topology is the limited bandwidth, resulting in narrow Locking Range (LR) for WirelessHDTM applications considering the impact of PVT variations. A simulation methodology is presented in order to analyze the ILFD locking state, proposing a first divide-by-2 ILFD design with continuous tuning. In order to design a wide LR, low power consumption ILFD, the impacts of various alternatives of low/high Q tank and injection scheme are deeply analysed, since the ILFD locking range depends on the Q of the tank and injection efficiency. The proposed 3-bit dual-mixing 60 GHz divide-by-2 LC-ILFD is designed with an accumulation of switching varactors binary scaled to compensate PVT variations. It is integrated in the same die with a 4-bit 60 GHz LC-VCO. The overall circuit is designed to allow measurements of the singles blocks stand-alone and working together. The co-layout is carried on with the EM modelling process of passives devices, parasitics and transmission lines extracted from the layout. The inductors models provided by the foundry are qualified up to 40 GHz, therefore the EM analysis is a must for post-layout simulation. The PVT variations have been simulated before manufacturing and, based on the results achieved, a PLL scheme PVT robust, considering frequency calibration, has been patented. The test chip has been measured in the CEA-Leti (Grenoble) during a stay of one week. The operation principle and the optimization trade-offs among power consumption, and locking ranges of the final selected ILFD topology have been demonstrated. Even if the experimental results are not completely in agreement with the simulations, due to modelling error and inaccuracy, the proposed technique has been validated with post-measurement simulations. As demonstrated, the locking range of a low-power, discrete tuned divide-by-2 ILFD can be enhanced by increasing the injection efficiency, without the drawbacks of higher power consumption and chip area. A 4-bits wide tuning range LC-VCO for mm-W applications has been co-designed using the selected 65 nm CMOS process.Postprint (published version

Terahertz Sources, Detectors, and Transceivers in Silicon Technologies

With active devices lingering on the brink of activity and every passive device and interconnection on chip acting as potential radiator, a paradigm shift from “top-down” to “bottom-up” approach in silicon terahertz (THz) circuit design is clearly evident as we witness orders-of-magnitude improvements of silicon THz circuits in terms of output power, phase noise, and sensitivity since their inception around 2010. That is, the once clear boundary between devices, circuits, and function blocks is getting blurrier as we push the devices toward their limits. And when all else fails to meet the system requirements, which is often the case, a logical step forward is to scale these THz circuits to arrays. This makes a lot of sense in the terahertz region considering the relatively efficient on-chip THz antennas and the reduced size of arrays with half-wavelength pitch. This chapter begins with the derivation of conditions for maximizing power gain of active devices. Discussions of circuit topologies for THz sources, detectors, and transceivers with emphasis on their efficacy and scalability ensue, and this chapter concludes with a brief survey of interface options for channeling THz energy out of the chip

Multi-gigabit CMOS analog-to-digital converter and mixed-signal demodulator for low-power millimeter-wave communication systems

The objective of the research is to develop high-speed ADCs and mixed-signal demodulator for multi-gigabit communication systems using millimeter-wave frequency bands in standard CMOS technology. With rapid advancements in semiconductor technologies, mobile communication devices have become more versatile, portable, and inexpensive over the last few decades. However, plagued by the short lifetime of batteries, low power consumption has become an extremely important specification in developing mobile communication devices. The ever-expanding demand of consumers to access and share information ubiquitously at faster speeds requires higher throughputs, increased signal-processing functionalities at lower power and lower costs. In today’s technology, high-speed signal processing and data converters are incorporated in almost all modern multi-gigabit communication systems. They are key enabling technologies for scalable digital design and implementation of baseband signal processors. Ultimately, the merits of a high performance mixed-signal receiver, such as data rate, sensitivity, signal dynamic range, bit-error rate, and power consumption, are directly related to the quality of the embedded ADCs. Therefore, this dissertation focuses on the analysis and design of high-speed ADCs and a novel broadband mixed-signal demodulator with a fully-integrated DSP composed of low-cost CMOS circuitry. The proposed system features a novel dual-mode solution to demodulate multi-gigabit BPSK and ASK signals. This approach reduces the resolution requirement of high-speed ADCs, while dramatically reducing its power consumption for multi-gigabit wireless communication systems.PhDGee-Kung Chang - Committee Chair; Chang-Ho Lee - Committee Member; Geoffrey Ye Li - Committee Member; Paul A. Kohl - Committee Member; Shyh-Chiang Shen - Committee Membe

Concepts for Short Range Millimeter-wave Miniaturized Radar Systems with Built-in Self-Test

This work explores short-range millimeter wave radar systems, with emphasis on miniaturization and overall system cost reduction. The designing and implementation processes, starting from the system level design considerations and characterization of the individual components to final implementation of the proposed architecture are described briefly. Several D-band radar systems are developed and their functionality and performances are demonstrated

Heterodyne Spectroscopy with a 225 – 255 GHz SiGe BiCMOS Receiver Frontend for Space Applications

Molecular spectroscopy with terahertz heterodyne receivers is an important and widely used method for remote sensing of gases in space, in the Earth's and planetary atmospheres, as well as in the coma of comets. For the use on small satellites, compact and lightweight receivers are needed. We have developed an integrated SiGe BiCMOS receiver frontend that is tunable from 225 to 255 GHz and have characterized it for heterodyne spectroscopy. The double-sideband noise temperature is 11000 K at a local oscillator frequency of 240 GHz and the Allan time is 1 s. With this receiver, we successfully performed heterodyne absorption and emission spectroscopy of acetonitrile in laboratory experiments

Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben

Millimeter-wave Communication and Radar Sensing — Opportunities, Challenges, and Solutions

With the development of communication and radar sensing technology, people are able to seek for a more convenient life and better experiences. The fifth generation (5G) mobile network provides high speed communication and internet services with a data rate up to several gigabit per second (Gbps). In addition, 5G offers great opportunities of emerging applications, for example, manufacture automation with the help of precise wireless sensing. For future communication and sensing systems, increasing capacity and accuracy is desired, which can be realized at millimeter-wave spectrum from 30 GHz to 300 GHz with several tens of GHz available bandwidth. Wavelength reduces at higher frequency, this implies more compact transceivers and antennas, and high sensing accuracy and imaging resolution. Challenges arise with these application opportunities when it comes to realizing prototype or demonstrators in practice. This thesis proposes some of the solutions addressing such challenges in a laboratory environment.High data rate millimeter-wave transmission experiments have been demonstrated with the help of advanced instrumentations. These demonstrations show the potential of transceiver chipsets. On the other hand, the real-time communication demonstrations are limited to either low modulation order signals or low symbol rate transmissions. The reason for that is the lack of commercially available high-speed analog-to-digital converters (ADCs); therefore, conventional digital synchronization methods are difficult to implement in real-time systems at very high data rates. In this thesis, two synchronous baseband receivers are proposed with carrier recovery subsystems which only require low-speed ADCs [A][B].Besides synchronization, high-frequency signal generation is also a challenge in millimeter-wave communications. The frequency divider is a critical component of a millimeter-wave frequency synthesizer. Having both wide locking range and high working frequencies is a challenge. In this thesis, a tunable delay gated ring oscillator topology is proposed for dual-mode operation and bandwidth extension [C]. Millimeter-wave radar offers advantages for high accuracy sensing. Traditional millimeter-wave radar with frequency-modulated continuous-wave (FMCW), or continuous-wave (CW), all have their disadvantages. Typically, the FMCW radar cannot share the spectrum with other FMCW radars.\ua0 With limited bandwidth, the number of FMCW radars that could coexist in the same area is limited. CW radars have a limited ambiguous distance of a wavelength. In this thesis, a phase-modulated radar with micrometer accuracy is presented [D]. It is applicable in a multi-radar scenario without occupying more bandwidth, and its ambiguous distance is also much larger than the CW radar. Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) radar has similar properties. However, its traditional fast calculation method, fast Fourier transform (FFT), limits its measurement accuracy. In this thesis, an accuracy enhancement technique is introduced to increase the measurement accuracy up to the micrometer level [E]