A 60GHz Outphasing Transmitter in 40nm CMOS with 15.6dBm Output Power

One of the important technical problems related to 60GHz CMOS transmitters is the poor average efficiency when transmitting amplitude- and phase-modulated signals. The cause of this low efficiency is the required back-off from the output 1dB compression point (P 1dB) to meet EVM and transmit spectrum mask specifications. A conventional power amplifier (PA) only provides maximum efficiency near the saturated output power (P SAT). For a 6dB back-off from P 1dB, the output power and PAE of the state-of-the-art PAs remain below 9dBm and 5%, respectively [1,2]. © 2012 IEEE.status: publishe

60 GHz transceiver circuits in SiGe-HBT and CMOS technologies

Die Erhöhung der Übertragungsrate von Kommunikationssystemen ist von hohem wissenschaftlichem und wirtschaftlichem Interesse. Die stetige Fortentwicklung dieser Systeme, sowohl unter Aspekten der Hard- als auch der Software, hat ein neues Technologiezeitalter eingeläutet. Verschiedene Szenarien, auf optischen, drahtgebundenen und drahtlosen Technologien basierend, wurden für diese Anwendungen entwickelt. Im 60 GHz ISM-Band (57 GHz bis 65 GHz) ist wegen der hohen Absorptionsverluste bei dieser Frequenz eine Kurzstrecken-Kommunikation mit hoher Datenrate von besonders hohem Interesse. Die Realisierung solcher Systeme erfolgt aufgrund von Kosten- und Massenproduktionsaspekten auf Basis von SiGe-HBT und CMOS Technologien. Schlüsselparameter eines 60 GHz-Transceivers sind eine hohe Ausgangsleistung, niedrige Rauschzahl, geringer Stromverbrauch und niedrige Herstellungskosten. Um den gesamten Frequenzbereich des 60 GHz ISM-Bandes abdecken zu können, wurden zahlreiche Transceivertopologien weltweit diskutiert. Die verfügbare Technologie mit ihren Schlüsselparametern ft, fmax stellt hierbei eine wichtige Randbedingung dar. In dieser Arbeit werden Aspekte des 60 GHz-Transceiver-Designs unter Verwendung einer 0,25 μm SiGe-HBT- und einer 90 nm CMOS-Technologie untersucht. Zunächst wird die Modellierung von passiven und aktiven Komponenten diskutiert. Verschiedene Techniken zur Modellextraktion basierend auf Messungen und elektromagnetischen Simulationen werden gezeigt. Für die wichtigsten passiven Bauelemente werden skalierbare Modelle entwickelt, um das Entwurfsverfahren zu präzisieren. Im nächsten Schritt werden 60 GHz CMOS- und SiGe-HBT- Leistungsverstärker untersucht. Basierend auf diesen Studien wurden zwei HBT und zwei CMOS-Endstufen konzipiert, realisiert und gemessen. Infolge der Verfügbarkeit einer hochgenauen Bauelemente-Bibliothek, ausgereifter Entwurfstechniken und der Verifikation auf Basis von EM-Simulationen konnte an den gemessenen Leistungsverstärkern eine hohe Ausgangsleistung mit guter Effizienz nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen weiterhin eine gute Übereinstimmung von Simulationen mit Messungen. Weiterhin wurden auf Basis einer 90 nm CMOS Technologie ein Heterodyne und ein OOK Transceiver entwickelt. Der Heterodyne-Transceiver mit einer Zwischenfrequenz von 20 GHz genügt dabei dem IEEE 802.15.3c Standard und erreicht eine Performance auf Höhe des internationalen Standes von Wissenschaft und Technik. Für den OOK Sender wurde eine neue Topologie entwickelt. Bei diesem Konzept bilden Modulator und Leistungsverstärker eine Einheit, woraus Vorteile hinsichtlich Ausgangsleistung, Effizienz und Chipgröße resultieren. Mit dieser Schaltung wurde in einem Systemtest eine Übertragungsrate von 6 Gbps über eine Entfernung von 4 m erfolgreich nachgewiesen.The rise of high-data-rate hungry applications has brought a new dawn to telecommunication technologies in both hardware and software development aspects. Different scenarios, mainly based on optical, coaxial and wireless systems, have been developed for these multi-gigabit communication systems. In these scenarios, the wireless system is utilized for indoor and short-range communication, which can ease the requirements on RF power and noise figure of the transceivers. However, the demand for multi-gigabit communication imposes a broadband performance requirement upon these wireless transceivers. This broadband performance requirement can be within the range of 2 GHz to 10 GHz. In order to cover such a broad frequency range, different transceiver circuit topologies have been suggested by many circuit designers. Due to the high oxygen loss in the 60 GHz range this 57 GHz to 65 GHz ISM band has attracted attention for high speed short-range communication. Moreover, the newly emerged low cost technologies (like, CMOS and SiGe HBT) have further attracted the industry to explore this communication band. The main requirements for a 60 GHz transceiver are high output power, low noise figure, low power consumption and broadband performance. To cover the whole 57 GHz to 65 GHz frequency band, numerous transceiver topologies are under discussion. The key parameter ft, fmax of the available technology define the achievable system performance. In this thesis, multiple aspects of the 60 GHz transceiver design based on the 90 nm CMOS and 0.25 μm SiGe HBT designs have been investigated. First, the modeling of passive and active components is presented. These components include capacitors, inductors, transformers, transmission lines, transistors, matching networks and RF pads. Different techniques for model extraction based on measurements and electromagnetic simulations have been examined. For inductors, transformers and capacitors scalable models have been developed. Further, the design techniques of 60 GHz CMOS and SiGe HBT power amplifiers have been studied. Based on these studies, two HBT and two CMOS power amplifiers have been designed, realized and measured. Due to accurate modeling and design techniques, high performance and good agreement with simulation has been achieved. Finally, two different types of transmitters (Heterodyne and OOK) based on the CMOS technology have been developed. The heterodyne transceiver, with an IF frequency of around 20 GHz, has been designed based on the IEEE 802.15.3c standard. This transmitter has achieved state of the art results with respect to output power, conversion gain and efficiency with a small chip size and low power consumption. For the OOK transmitter, a novel topology has been developed. In this topology, the modulator and the power amplifier have been integrated into one circuit. Due to many advantages of this new topology, this transmitter achieves higher output power and efficiency compared with state-of-the-art results. Furthermore, the realized circuit has been utilized within a wireless system where more than 6 Gbps has been successfully transmitted over a 4 m distance