Design of low-power K-band circuits in CMOS technology

Die Entwicklung von Millimeterwellen-Transceivern auf Basis moderner CMOS-Technologien steht derzeit weltweit im Fokus von Wissenschaft und Forschung. Dabei sind insbesondere Schaltungen für die ISM-Bänder bei 24 GHz bzw. 60 GHz von Interesse. Beim Entwurf von CMOS-Schaltungen zur Erzeugung und Umsetzung von Frequenzen in diesen Frequenzbereichen ergeben sich zahlreiche unterschiedliche Problemstellungen. So ist einerseits die Performance von spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCOs) bei Millimeterwellen-Frequenzen durch ein schlechtes Phasenrauschen sowie durch einen begrenzten Abstimmbereich beeinträchtigt. Anderseits können Frequenzteiler mit großer Bandbreite und geringem Leistungsverbrauch schwierig realisiert werden. Infolge des Flickerrauschens und der einhergehenden schlechten Rauschzahl gestaltet sich des Weiteren auch das direkte Heruntermischen in das Basisband mit sog. Direct-Down-Conversion-Mischern als schwierig. Die Erzeugung des LO-Signals bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme geht mit einigen Schwierigkeiten einher. Zu guter Letzt ist ebenso die Erzeugung von IQ-modulierten Signalen hoher Genauigkeit über größere Bandbreiten eine Herausforderung beim Entwurf solcher Transceiver. Zur Überwindung dieser Problemstellungen werden in der vorliegenden Dissertation neuartige Methoden und optimierte Schaltungen zur Erzeugung und Umsetzung von Millimeterwellenfrequenzen untersucht. Dies beinhaltet einen 24-GHz-LC-VCO, der auf Basis einer Transformer-Feedback-Topologie in einer 130-nm-CMOS-Technologie realisiert wurde. Dieser VCO erreicht einen sehr großen Abstimmbereich und zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen LC-VCOs mit einer deutlich reduzierten Leistungsaufnahme bei vergleichbarem Phasenrauschen aus. Des Weiteren sind im Rahmen dieser Arbeit zwei Frequenzteiler entwickelt worden. Der erste Teiler wurde für das Ka-Band in einer 130-nm-CMOS-Technologie entworfen. Dieser sog. Miller-Divider wurde derart optimiert, dass eine maximale Bandbreite bei gleichzeitig minimaler Leistungsaufnahme realisiert werden konnte. Die Schleifenverstärkung wurde über den größt möglichen Frequenzbereich maximiert. Auf der anderen Seite wurde die Güte der Lastinduktivität derart gewählt, dass die Unterdrückung der 3. Harmonischen auf den erforderlichen Wert gehalten werden konnte. Die mit den realisierten Schaltungen erzielten Messergebnisse entsprechen dem neusten Stand der Technik und genügen den Anforderungen von 24-GHz-FMCW-Radar-Systemen. Der zweite Frequenzteiler, ein sog. Static-Divider, wurde in einer 90-nm-Technologie für eine Frequenz von 45 GHz realisiert. Neuartige Techniken wie Inductive Peaking, Split Resistors und die asymmetrische Auslegung der Eingangstransistoren wurden hierbei implementiert um die Leistungsaufnahme der Teiler deutlich zu minimieren. Als weiterer Transceiver-Baustein wurde außerdem ein Direct-Down-Conversion-Mischer implementiert. Dessen Flickerrauschen konnte durch den Einsatz eines neuartigen Current-Bleeding-Netzwerkes verbessert werden. Neben den verbesserten Rauscheigenschaften konnte auf diese Art und Weise außerdem auch ein gesteigerter Konversionsgewinn erzielt werden. Auf Basis des entwickelten Static-Dividers sowie der realisierten Mischer konnte schließlich ein kompletter IQ-Modulator bzw. IQ-Demodulator in einer 90-nm-Technologie entworfen werden. Die mit den realisierten Schaltungen erzielten Messergebnisse entsprechen dem neusten Stand von Wissenschaft und Technik und erfüllen die Anforderungen von Nahbereichskommunikationssystemen im 60-GHz-Band gemäß IEEE 802.15.3c.

Author dc:creator

• Ali, Mohammed Kamal Abdelrahman

Advisor dc:contributor.advisor

• Boeck, Georg

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus4-66304
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4460

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/4757