Разработка функциональных блоков интегральной схемы приемника миллиметрового диапазона длин волн по технологии КМОП 90 нм Центр компетенции по беспроводным системам связи ННГУ им. Н.И. Лобачевского С.А. Тихонов, А.В. Мавричев, А.А. Артеменко, А.А. Мальцев г. Москва, октябрь 2014 г. VI Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем»

2 Перспективность использования миллиметрового диапазона Основные преимущества использования миллиметрового диапазона длин волн для систем радиосвязи: – Высокая скорость передачи информации благодаря широкой полосе рабочих частот (IEEE ad - до 7 Гб/с на частоте несущей около 60 ГГц) – Низкая интерференция из-за большого затухания при распространении и узкого луча диаграммы направленности антенны – Нелицензируемые полосы частот Приложения миллиметрового диапазона: – Локальные и персональные системы радиосвязи (WiGig, 60 ГГц) – Радиорелейные линии передачи (60 ГГц, 71-76/81-86 ГГц) – Автомобильные радары для предотвращения столкновений (диапазон 77 ГГц) – Системы радиовидения (от 30 до 90 ГГц) Актуальной проблемой для еще более широкого освоения миллиметрового диапазона является создание эффективной и дешевой электронной компонентной базы

3 Цель работы Цель данной работы: Разработка и экспериментальное исследование характеристик основных функциональных КМОП блоков СВЧ приемника прямого преобразования, работающего в диапазоне ГГц Разработанные функциональные блоки: Малошумящий усилитель (МШУ) Понижающий смеситель Умножитель частоты Пассивные элементы (линия передачи, индуктивность, трансформатор)

4 Топология разработанной микросхемы Топология микросхемы реализована с использованием технологической библиотеки элементов TSMC КМОП 90 нм, а также с применением предварительно разработанных распределенных моделей линии передачи и СВЧ контактных площадок 1 - Смеситель 2 - МШУ 3 - Умножитель частоты 4 - Планарная индуктивность 5 - Симметрирующий трансформатор 6 - Калибровочный набор

5 Измерительная установка Измерительная установка на основе зондовой станции Cascade Microtech Разработанная микросхема на тестовой печатной плате в измерительной установке Микросхема, содержащая разработанные блоки, была изготовлена на фабрике TSMC (Тайвань) – Дополнительно была разработана и изготовлена тестовая печатная плата для установки микросхемы в ходе проведения измерений

6 Распределенные элементы топологии (1/3): линия передачи Параметры линии Значение Постоянная затухания (), дБ/мм 0,9 Фазовая постоянная (), рад/мм 2,49 Длина отрезка линии /4, мкм 630 Ширина центрального проводника (W), мкм 8 Расстояние до боковой металлизации (G), мкм 10 Характеристический импеданс, Ом 50 Структура линии передачи * Структура слоев диэлектрика и металла определяется технологическим процессом фабрики TSMC

7 Распределенные элементы топологии (2/3): планарная индуктивность Параметры индуктивности Значение Ширина проводника, мкм 4 Радиус спирали, мкм 25 Площадь без контактных площадок, мм х 0.1 Потери, дБ-1.5 Индуктивность, п Гн 177 Паразитная емкость, фФ9 Добротность 8

8 Распределенные элементы топологии (3/3): симметрирующий трансформатор Параметры трансформатора Значение Ширина проводников, мкм 6 Диаметр, мкм 80 Площадь без контактных площадок, мм × Потери преобразования, дБ1.2 Амплитудная ошибка, дБ2.2 Коэффициент прохождения на один из дифференциальных выходов трансформатора

9 Схема разработанного МШУ Цепи входного и выходного согласования Цепь промежуточного согласования Назначение: усиление слабого входного сигнала на входе приемника при минимизации коэффициента шума ̶ Оптимизированная двухкаскадная архитектура (схемы с общим истоком + каскод)

10 Основные характеристики МШУ (результаты моделирования и измерения) Выявлена деградация КУ по сравнению с исходным моделированием на 4 дБ – Основная гипотеза - наличие паразитных элементов в изготовленной микросхеме

11 Схема разработанного умножителя частоты Цепь выходного согласования в полосе 60 ГГц Цепь входного согласования в полосе 30 ГГц Назначение: удвоение частоты опорного гетеродина

12 Основные характеристики умножителя частоты (результаты моделирования и измерения) Смещение полосы согласования по выходу на 5 ГГц связано с неточностью моделей линии передачи, используемых для согласования Характеристики Значение Потери преобразования, дБ 7.2 Подавление основной частоты, дБ 11.5 Потребляемая мощность, м Вт 13 Занимаемая площадь, мм

13 Схема разработанного смесителя Переключающая пара Буфер ПЧ Согласующий симметрирующий трансформатор Цепь входного согласования Назначение: преобразование спектра СВЧ сигнала на низкую частоту ̶ Балансная архитектура с предусилением

14 Основные характеристики смесителя (результаты моделирования) Коэффициент. преобразования, дБ Частота входного сигнала, ГГц Мощность гетеродина, д Бм P1dB, д Бм: -17.4; -19.7; Коэф. преобразования при разных частотах гетеродина Коэффициент преобразования в зависимости от мощности сигнала гетеродина F РЧ = 59.9 ГГц P РЧ = -50 д Бм F ГЕТ = 60 ГГц P ГЕТ = -9 д Бм P РЧ = -50 д Бм Ширина полосы одного канала: ΔF 2.1 ГГц (по уровню -3 дБ) Коэффициент. преобразования, дБ

15 Сравнение характеристик с аналогами *результаты моделирования МШУ[2][4][5]Данная работа Коэф. усиления, дБ14,69,41810,5 Коэф. шума, дБ< 5,574,74,5 * Потребляемая мощность, м Вт ,625,5 Смеситель[7][8][9]Данная работа* Коэф. усиления, дБ129, Коэф. шума, дБ11,7-12*13 Мощность гетеродина, д Бм Потребляемая мощность, м Вт 8, Умножитель частоты[8][10]Данная работа Потери преобразования, дБ7,1117,2 Коэф. подавления осн. гарм., дБ10,8>1011,5 Потребляемая мощность, м Вт 13,74,513

16 Выводы Спроектированы топологии основных функциональных блоков КМОП приемника диапазона ГГц: МШУ, понижающий смеситель, умножитель частоты Проведен расчет характеристик функциональных блоков с использованием результатов предварительного электромагнитного моделирования отдельных распределенных элементов схемы Проведено экспериментальное исследование характеристик разработанных блоков В дальнейшем планируется использовать разработанные функциональные блоки при создании радиочастотного модуля приемника, работающего в диапазоне ГГц

Спасибо за внимание! Контакты: Сергей Тихонов

[2] Yao T., Gordon M.Q., Tang K. K. W., Yau K. H. K., Ming-Ta Y., Schvan P., Voinigescu S.P., Algorithmic Design of CMOS LNAs and PAs for 60-GHz Radio // IEEE JSSC V P – [4]Malignaggi A., Hamidian A., Ran Shu, Kamal A.M., Boeck G., Analytical study and performance comparison of mm-wave CMOS LNAs // EuMIC P. 260 – 263. [5]Wang C., Hao Y., Haiying Z., Kang K., Tang Z., A 60GHz LNA with 4.7dB NF and 18dB gain using interstage impedance matching technique in 90nm CMOS // IEEE ICMTCE P. 270 – 273. [7]Byeon C. W., Lee J. J., Song I. S., Park C. S., A 60 GHz Current-Reuse LO-Boosting Mixer in 90 nm CMOS // IEEE MWCL V P [8]Kantanen M., Holmberg J., Karttaavi T., Volotinen J., 60 GHz Frequency Conversion 90 nm CMOS Circuits // EuMIC P. 60 – 63. [9]Kraemer M., Ercoli M., Dragomirescu D., Plana R., A wideband single-balanced down-mixer for the 60 GHz band in 65 nm CMOS // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings P – [10]Chen J., Yan P., Hong W., A 50–70GHz frequency doubler in 90nm CMOS // IEEE IMWS. – P Список литературы