A 24-GHz, +14.5-dBm fully integrated power amplifier in 0.18-μm CMOS

A 24-GHz +14.5-dBm fully integrated power amplifier with on-chip 50-[ohm] input and output matching is demonstrated in 0.18-μm CMOS. The use of substrate-shielded coplanar waveguide structures for matching networks results in low passive loss and small die size. Simple circuit techniques based on stability criteria derived result in an unconditionally stable amplifier. The power amplifier achieves a power gain of 7 dB and a maximum single-ended output power of +14.5-dBm with a 3-dB bandwidth of 3.1 GHz, while drawing 100 mA from a 2.8-V supply. The chip area is 1.26 mm^2

Index to 1984 NASA Tech Briefs, volume 9, numbers 1-4

Short announcements of new technology derived from the R&D activities of NASA are presented. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This index for 1984 Tech B Briefs contains abstracts and four indexes: subject, personal author, originating center, and Tech Brief Number. The following areas are covered: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences

Integrated phased array systems in silicon

Silicon offers a new set of possibilities and challenges for RF, microwave, and millimeter-wave applications. While the high cutoff frequencies of the SiGe heterojunction bipolar transistors and the ever-shrinking feature sizes of MOSFETs hold a lot of promise, new design techniques need to be devised to deal with the realities of these technologies, such as low breakdown voltages, lossy substrates, low-Q passives, long interconnect parasitics, and high-frequency coupling issues. As an example of complete system integration in silicon, this paper presents the first fully integrated 24-GHz eight-element phased array receiver in 0.18-μm silicon-germanium and the first fully integrated 24-GHz four-element phased array transmitter with integrated power amplifiers in 0.18-μm CMOS. The transmitter and receiver are capable of beam forming and can be used for communication, ranging, positioning, and sensing applications

Transmitter Architectures Based on Near-Field Direct Antenna Modulation

A near-field direct antenna modulation (NFDAM) technique is introduced, where the radiated far-field signal is modulated by time-varying changes in the antenna near-field electromagnetic (EM) boundary conditions. This enables the transmitter to send data in a direction-dependent fashion producing a secure communication link. Near-field direct antenna modulation (NFDAM) can be performed by using either switches or varactors. Two fully-integrated proof-of-concept NFDAM transmitters operating at 60 GHz using switches and varactors are demonstrated in silicon proving the feasibility of this approach

Low-Power, High-Speed Transceivers for Network-on-Chip Communication

Networks on chips (NoCs) are becoming popular as they provide a solution for the interconnection problems on large integrated circuits (ICs). But even in a NoC, link-power can become unacceptably high and data rates are limited when conventional data transceivers are used. In this paper, we present a low-power, high-speed source-synchronous link transceiver which enables a factor 3.3 reduction in link power together with an 80% increase in data-rate. A low-swing capacitive pre-emphasis transmitter in combination with a double-tail sense-amplifier enable speeds in excess of 9 Gb/s over a 2 mm twisted differential interconnect, while consuming only 130 fJ/transition without the need for an additional supply. Multiple transceivers can be connected back-to-back to create a source-synchronous transceiver-chain with a wave-pipelined clock, operating with 6sigma offset reliability at 5 Gb/s

Analysis of the high frequency substrate noise effects on LC-VCOs

La integració de transceptors per comunicacions de radiofreqüència en CMOS pot quedar seriosament limitada per la interacció entre els seus blocs, arribant a desaconsellar la utilització de un únic dau de silici. El soroll d’alta freqüència generat per certs blocs, com l’amplificador de potencia, pot viatjar pel substrat i amenaçar el correcte funcionament de l’oscil·lador local. Trobem tres raons importants que mostren aquest risc d’interacció entre blocs i que justifiquen la necessitat d’un estudi profund per minimitzar-lo. Les característiques del substrat fan que el soroll d’alta freqüència es propagui m’és fàcilment que el de baixa freqüència. Per altra banda, les estructures de protecció perden eficiència a mesura que la freqüència augmenta. Finalment, el soroll d’alta freqüència que arriba a l’oscil·lador degrada al seu correcte comportament. El propòsit d’aquesta tesis és analitzar en profunditat la interacció entre el soroll d’alta freqüència que es propaga pel substrat i l’oscil·lador amb l’objectiu de poder predir, mitjançant un model, l’efecte que aquest soroll pot tenir sobre el correcte funcionament de l’oscil·lador. Es volen proporcionar diverses guies i normes a seguir que permeti als dissenyadors augmentar la robustesa dels oscil·ladors al soroll d’alta freqüència que viatja pel substrat. La investigació de l’efecte del soroll de substrat en oscil·ladors s’ha iniciat des d’un punt de vista empíric, per una banda, analitzant la propagació de senyals a través del substrat i avaluant l’eficiència d’estructures per bloquejar aquesta propagació, i per altra, determinant l’efecte d’un to present en el substrat en un oscil·lador. Aquesta investigació ha mostrat que la injecció d’un to d’alta freqüència en el substrat es pot propagar fins arribar a l’oscil·lador i que, a causa del ’pulling’ de freqüència, pot modular en freqüència la sortida de l’oscil·lador. A partir dels resultats de l’anàlisi empíric s’ha aportat un model matemàtic que permet predir l’efecte del soroll en l’oscil·lador. Aquest model té el principal avantatge en el fet de que està basat en paràmetres físics de l’oscil·lador o del soroll, permetent determinar les mesures que un dissenyador pot prendre per augmentar la robustesa de l’oscil·lador així com les conseqüències que aquestes mesures tenen sobre el seu funcionament global (trade-offs). El model ha estat comparat tant amb simulacions com amb mesures reals demostrant ser molt precís a l’hora de predir l’efecte del soroll de substrat. La utilitat del model com a eina de disseny s’ha demostrat en dos estudis. Primerament, les conclusions del model han estat aplicades en el procés de disseny d’un oscil·lador d’ultra baix consum a 2.5GHz, aconseguint un oscil·lador robust al soroll de substrat d’alta freqüència i amb característiques totalment compatibles amb els principals estàndards de comunicació en aquesta banda. Finalment, el model s’ha utilitzat com a eina d’anàlisi per avaluar la causa de les diferències, en termes de robustesa a soroll de substrat, mesurades en dos oscil·ladors a 60GHz amb dues diferents estratègies d’apantallament de l’inductor del tanc de ressonant, flotant en un cas i connectat a terra en l’altre. El model ha mostrat que les diferències en robustesa són causades per la millora en el factor de qualitat i en l’amplitud d’oscil·lació i no per un augment en l’aïllament entre tanc i substrat. Per altra banda, el model ha demostrat ser vàlid i molt precís inclús en aquest rang de freqüència tan extrem. el principal avantatge en el fet de que està basat en paràmetres físics de l’oscil·lador o del soroll, permetent determinar les mesures que un dissenyador pot prendre per augmentar la robustesa de l’oscil·lador així com les conseqüències que aquestes mesures tenen sobre el seu funcionament global (trade-offs). El model ha estat comparat tant amb simulacions com amb mesures reals demostrant ser molt precís a l’hora de predir l’efecte del soroll de substrat. La utilitat del model com a eina de disseny s’ha demostrat en dos estudis. Primerament, les conclusions del model han estat aplicades en el procés de disseny d’un oscil·lador d’ultra baix consum a 2.5GHz, aconseguint un oscil·lador robust al soroll de substrat d’alta freqüència i amb característiques totalment compatibles amb els principals estàndards de comunicació en aquesta banda. Finalment, el model s’ha utilitzat com a eina d’anàlisi per avaluar la causa de les diferències, en termes de robustesa a soroll de substrat, mesurades en dos oscil·ladors a 60GHz amb dues diferents estratègies d’apantallament de l’inductor del tanc de ressonant, flotant en un cas i connectat a terra en l’altre. El model ha mostrat que les diferències en robustesa són causades per la millora en el factor de qualitat i en l’amplitud d’oscil·lació i no per un augment en l’aïllament entre tanc i substrat. Per altra banda, el model ha demostrat ser vàlid i molt precís inclús en aquest rang de freqüència tan extrem.The integration of transceivers for RF communication in CMOS can be seriously limited by the interaction between their blocks, even advising against using a single silicon die. The high frequency noise generated by some of the blocks, like the power amplifier, can travel through the substrate, reaching the local oscillator and threatening its correct performance. Three important reasons can be stated that show the risk of the single die integration. Noise propagation is easier the higher the frequency. Moreover, the protection structures lose efficiency as the noise frequency increases. Finally, the high frequency noise that reaches the local oscillator degrades its performance. The purpose of this thesis is to deeply analyze the interaction between the high frequency substrate noise and the oscillator with the objective of being able to predict, thanks to a model, the effect that this noise may have over the correct behavior of the oscillator. We want to provide some guidelines to the designers to allow them to increase the robustness of the oscillator to high frequency substrate noise. The investigation of the effect of the high frequency substrate noise on oscillators has started from an empirical point of view, on one hand, analyzing the noise propagation through the substrate and evaluating the efficiency of some structures to block this propagation, and on the other hand, determining the effect on an oscillator of a high frequency noise tone present in the substrate. This investigation has shown that the injection of a high frequency tone in the substrate can reach the oscillator and, due to a frequency pulling effect, it can modulate in frequency the output of the oscillator. Based on the results obtained during the empirical analysis, a mathematical model to predict the effect of the substrate noise on the oscillator has been provided. The main advantage of this model is the fact that it is based on physical parameters of the oscillator and of the noise, allowing to determine the measures that a designer can take to increase the robustness of the oscillator as well as the consequences (trade-offs) that these measures have over its global performance. This model has been compared against both, simulations and real measurements, showing a very high accuracy to predict the effect of the high frequency substrate noise. The usefulness of the presented model as a design tool has been demonstrated in two case studies. Firstly, the conclusions obtained from the model have been applied in the design of an ultra low power consumption 2.5 GHz oscillator robust to the high frequency substrate noise with characteristics which make it compatible with the main communication standards in this frequency band. Finally, the model has been used as an analysis tool to evaluate the cause of the differences, in terms of performance degradation due to substrate noise, measured in two 60 GHz oscillators with two different tank inductor shielding strategies, floating and grounded. The model has determined that the robustness differences are caused by the improvement in the tank quality factor and in the oscillation amplitude and no by an increased isolation between the tank and the substrate. The model has shown to be valid and very accurate even in these extreme frequency range.Postprint (published version

Pixel Detectors for Charged Particles

Pixel Detectors, as the current technology of choice for the innermost vertex detection, have reached a stage at which large detectors have been built for the LHC experiments and a new era of developments, both for hybrid and for monolithic or semi-monolithic pixel detectors is in full swing. This is largely driven by the requirements of the upgrade programme for the superLHC and by other collider experiments which plan to use monolithic pixel detectors for the first time. A review on current pixel detector developments for particle tracking and vertexing is given, comprising hybrid pixel detectors for superLHC with its own challenges in radiation and rate, as well as on monolithic, so-called active pixel detectors, including MAPS and DEPFET pixels for RHIC and superBelle.Comment: 19 pages, 23 drawings in 14 figure