Radio Frequency and Millimeter Wave Circuit Component Design with SiGe BiCMOS Technology

The objective of this research is to study and leverage the unique properties and advantages of silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor (HBT) integrated circuit technologies to better design radio frequency (RF) and millimeter wave (mm-wave) circuit components. With recent developments, the high yield and modest cost silicon-based semiconductor technologies have proven to be attractive and cost-effective alternatives to high-performance III-V technology platforms. Between SiGe bipolar complementary metal-oxide-semiconductor (BiCMOS) technology and advanced RF complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology, the fundamental device-level differences between SiGe HBTs and field-effect transistors (FETs) grant SiGe HBTs clear advantages as well as unique design concerns. The work presented in this dissertation identifies several advantages and challenges on design using SiGe HBTs and provides design examples that exploit and address these unique benefits and problems with circuit component designs using SiGe HBTs.Ph.D

CMOS MESFET Cascode Amplifiers for RFIC Applications

abstract: There is an ever-increasing demand for higher bandwidth and data rate ensuing from exploding number of radio frequency integrated systems and devices. As stated in the Shannon-Hartley theorem, the maximum achievable data rate of a communication channel is linearly proportional to the system bandwidth. This is the main driving force behind pushing wireless systems towards millimeter-wave frequency range, where larger bandwidth is available at a higher carrier frequency. Observing the Moor’s law, highly scaled complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technologies provide fast transistors with a high unity power gain frequency which enables operating at millimeter-wave frequency range. CMOS is the compelling choice for digital and signal processing modules which concurrently offers high computation speed, low power consumption, and mass integration at a high manufacturing yield. One of the main shortcomings of the sub-micron CMOS technologies is the low breakdown voltage of the transistors that limits the dynamic range of the radio frequency (RF) power blocks, especially with the power amplifiers. Low voltage swing restricts the achievable output power which translates into low signal to noise ratio and degraded linearity. Extensive research has been done on proposing new design and IC fabrication techniques with the goal of generating higher output power in CMOS technology. The prominent drawbacks of these solutions are an increased die area, higher cost per design, and lower overall efficiency due to lossy passive components. In this dissertation, CMOS compatible metal–semiconductor field-effect transistor (MESFETs) are utilized to put forward a new solution to enhance the power amplifier’s breakdown voltage, gain and maximum output power. Requiring no change to the conventional CMOS process flow, this low cost approach allows direct incorporation of high voltage power MESFETs into silicon. High voltage MESFETs were employed in a cascode structure to push the amplifier’s cutoff frequency and unity power gain frequency to the 5G and K-band frequency range. This dissertation begins with CMOS compatible MESFET modeling and fabrication steps, and culminates in the discussion of amplifier design and optimization methodology, parasitic de-embedding steps, simulation and measurement results, and high resistivity RF substrate characterization.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Software Defined Radio Solutions for Wireless Communications Systems

Wireless technologies have been advancing rapidly, especially in the recent years. Design, implementation, and manufacturing of devices supporting the continuously evolving technologies require great efforts. Thus, building platforms compatible with different generations of standards and technologies has gained a lot of interest. As a result, software defined radios (SDRs) are investigated to offer more flexibility and scalability, and reduce the design efforts, compared to the conventional fixed-function hardware-based solutions.This thesis mainly addresses the challenges related to SDR-based implementation of today’s wireless devices. One of the main targets of most of the wireless standards has been to improve the achievable data rates, which imposes strict requirements on the processing platforms. Realizing real-time processing of high throughput signal processing algorithms using SDR-based platforms while maintaining energy consumption close to conventional approaches is a challenging topic that is addressed in this thesis.Firstly, this thesis concentrates on the challenges of a real-time software-based implementation for the very high throughput (VHT) Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11ac amendment from the wireless local area networks (WLAN) family, where an SDR-based solution is introduced for the frequency-domain baseband processing of a multiple-input multipleoutput (MIMO) transmitter and receiver. The feasibility of the implementation is evaluated with respect to the number of clock cycles and the consumed power. Furthermore, a digital front-end (DFE) concept is developed for the IEEE 802.11ac receiver, where the 80 MHz waveform is divided to two 40 MHz signals. This is carried out through time-domain digital filtering and decimation, which is challenging due to the latency and cyclic prefix (CP) budget of the receiver. Different multi-rate channelization architectures are developed, and the software implementation is presented and evaluated in terms of execution time, number of clock cycles, power, and energy consumption on different multi-core platforms.Secondly, this thesis addresses selected advanced techniques developed to realize inband fullduplex (IBFD) systems, which aim at improving spectral efficiency in today’s congested radio spectrum. IBFD refers to concurrent transmission and reception on the same frequency band, where the main challenge to combat is the strong self-interference (SI). In this thesis, an SDRbased solution is introduced, which is capable of real-time mitigation of the SI signal. The implementation results show possibility of achieving real-time sufficient SI suppression under time-varying environments using low-power, mobile-scale multi-core processing platforms. To investigate the challenges associated with SDR implementations for mobile-scale devices with limited processing and power resources, processing platforms suitable for hand-held devices are selected in this thesis work. On the baseband processing side, a very long instruction word (VLIW) processor, optimized for wireless communication applications, is utilized. Furthermore, in the solutions presented for the DFE processing and the digital SI canceller, commercial off-the-shelf (COTS) multi-core central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs) are used with the aim of investigating the performance enhancement achieved by utilizing parallel processing.Overall, this thesis provides solutions to the challenges of low-power, and real-time software-based implementation of computationally intensive signal processing algorithms for the current and future communications systems

Reconfigurable Load-Modulated Power Amplifier For Energy- and Spectrum-Efficient Wireless Communications

With the increasing demand for faster date rates and extensive user connectivities, the complex modulation schemes and large-scaled arrays have been widely researched and employed in the modern wireless links e.g., 5G and beyond-5G systems. These pose major challenges to design the power amplifiers (PAs) to accommodate the system level evolution. As the critical part, the power amplifiers (PAs) dominate the output power, efficiency, linearity and reliability of the radio frequency (RF) transmitter. Consequently, the PA\u27s capability of maintaining an efficient, linear and reliable signal amplification operation is essential to the communication systems. On the other hand, due to the deployment of massive multiple input/multiple output (MIMO) technique, the highly integrated active antenna systems replaced traditional 50Ω-based PA with sectorized antenna architectures. This brings the fact that, as the beam is steered in the antenna array, the dynamic load impedance observed from PAs can be up to 2: 1 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) due to the time-varying phasing and output power between the adjacent antenna elements and PAs, thus severely deteriorate PAs\u27 performance. To resolve aforementioned challenges, a novel design theory of Quasi-balanced Doherty power amplifier (QB-DPA) is first presented in this dissertation, which opens a new vision to counteract the mismatch-induced degradation using reconfigurable PA architectures. In this QB-DPA design, the isolation port of the PA\u27s output coupler is alternatively terminated to 50-Ω load and ground to enable the balanced and Doherty modes. With the implementation of the silicon-on-insulator (SOI)-based single-pole-double-throw (SPDT) switch to realize the reconfiguration, the physical prototype is demonstrated exhibiting remarkable DPA performance, in terms of the linearity, efficiency and output power. Subsequently, a series/parallel QB-DPA theory that not only can improve the back-off efficiency of QB-DPA, but also significantly restore the load-mismatch degradation is proposed. This novel topology includes and unifies QB-DPA modes at balanced, series and parallel Doherty, respectively. Moreover, a novel linearity-enhanced combiner is introduced for nominal 50-Ω load to improve the linearity at both series and parallel QB-DPA modes. The reconfiguration between series and parallel operations largely restore the performance degradation when the PAs suffer a dynamic antenna mismatch condition. Finally, a wideband mismatch-resilient QB-DPA is presented. Through parallel/series reconfiguration and reciprocal biasing, it is for the first time shown that the QB-DPA is able to maintain a stable output power as well as enhanced efficiency and linearity across 2 : 1 VSWR circle, and this operation can be seamlessly extended to a wide bandwidth which holds promising potential for application to array-based massive MIMO systems