Design and power optimization of CMOS RF Blocks operating in the moderate inversion region

PostprintIn this work the design of radiofrequency CMOS circuit blocks in the 910MHz ISM band, while biasing the MOS transistor in the moderate inversion region, is analyzed. An amplifier design tool is presented. This tool shows that it exists an optimum in the power consumption for a given gain. Different technologies are compared, using the proposed tool, regarding its performance in terms of gain and power consumption in the design space I D -g m /I D . The frequency limit of the applied transistor model is discussed and comparisons with simulations using BSIM3v3 are presented. Implementation of a power amplifier and a VCO at 910MHz in 0.35μm CMOS technology and experimental results are also show

Energieeffiziente HF-Front-End-Schaltungsarchitekturen am Beispiel von ZigBee-Empfängern

Der Arbeit vorangestellt ist eine Literaturübersicht über die verschiedenen Empfängerarchitekturen, aus denen die homodyne Architektur als die am besten für einen energieeffizienten Empfänger wie z.B. ZigBee geeignete ausgewählt wird. Basierend auf einer Systemsimulation werden die Kennzahlen des gesamten Empfängers festgelegt und diese umgesetzt in Spezifikationen für die einzelnen Schaltungsblöcke. Aus den festgelegten Kennzahlen wird deutlich, dass im Vergleich zu anderen drahtlosen Systemen eine geringe Anforderung an das Noise Figure und die Linearität gestellt wird, aber eine hohe Anforderung der geringe Stromverbrauch darstellt. In einer weiteren Literaturübersicht werden unterschiedlichen LNA-Architekturen miteinander verglichen und bewertet. Dabei werden nicht nur die konventionellen Architekturen Common-Source-LNA und Common-Gate-LNA (CG-LNA) betrachtet, sondern auch alternative Varianten untersucht. Aufgrund der Systemanforderungen wird der CG-LNA als der am besten geeignete ausgewählt. Basierend auf dem EKV-Modell, welches das Verhalten des MOSFETs in allen Arbeitsbereichen beschreibt, wird der CG-LNA analysiert. Dabei werden speziell, die parasitären Kapazitäten des MOSFETs und die durch Kurzkanaleffekte bedingte Zunahme des Rauschens, in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt berücksichtigt. In dieser Arbeit konnten weiterhin neue, arbeitspunktabhängige charakteristische Performancekennzahlen (weitenbezogene Source-Transkonduktanz und totale Eingangskapazität sowie Eingangszeitkonstante) des CG-LNAs definiert werden, welche in direkter Verbindung zu der verwendeten Standard-CMOS-Technologie stehen. Mit Hilfe dieser Kenngrößen können die Technologiebedingten Grenzen für den Eingangsreflexionsfaktor und das Noise Figure bestimmt werden. Mit Hilfe einer numerischen Simulation werden die Kennzahlen des CG-LNAs ermittelt. Darauf basierend wird ein Algorithmus formuliert, mittels dessen unter Berücksichtigung der festgelegten Spezifikationen für den LNA (Noise Figure und Eingangsreflexionsfaktor) der optimale Inversionskoeffizient und die dazugehörige Weite bei minimalem Arbeitspunktstrom gefunden werden kann. Die durchgeführte Optimierung zeigt, dass der günstigste Arbeitspunkt im Bereich der moderaten Inversion liegt. Die durch die Optimierung gefundenen Designparameter werden bei der anschließenden schaltungstechnischen Realisierung verwendet und die Kennzahlen des LNAs durch eine Schaltungssimulation verifiziert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt bei der Erweiterung des entwickelten CG-LNAs um eine variabel einstellbare Verstärkung. Dazu wird ein neues Konzept zur Verstärkungseinstellung vorgestellt und umgesetzt, welches darauf basiert den Arbeitspunktstrom abzusenken. Bei der schaltungstechnischen Umsetzung werden 16 verschiedene Verstärkungsstufen realisiert, wodurch die Verstärkung des LNAs in 1 dB Schritten reduziert werden kann (eine beliebige Stufung ist ebenfalls realisierbar). Der Arbeitspunktstrom wird dabei um fast eine Größenordnung reduziert. Durch Betrachtung des SNR-Ausgangsverhältnisses wird gezeigt, dass bei einer geringeren Verstärkungseinstellung sich keine Verschlechterung des SNR-Verhältnisses im Vergleich zur größten Verstärkungseinstellung ergibt. Der in dieser Arbeit vorgestellte optimierte CG-LNA kann zukünftig in Empfängern mit vergleichbaren Anforderungen eingesetzt werden. Die einstellbare Verstärkung mit gleichzeitig reduzierter Stromaufnahme stellt dabei eine wichtige Entwicklung dar, welche maßgeblich zur Verlängerung der Batterielebensdauer bei mobilen Geräten beiträgt