CMOS RFIC amplifiers design for wideband sub-3 GHz and 28-30 GHz millimeter wave applications

Abstract

This thesis presents two hardware options to help solve the problem of spectrum saturation in wireless communications from 2014 to 2018. Both options require the operation of a Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) front-end in wide frequency ranges. The design environment for this thesis is an RFIC and several amplifiers have been developed to be used in RFIC front-end solutions. The first part is to use the wideband cognitive radio concept and go to as low as tens of MHz up to 3 GHz, where part of the sub-1 GHz band was historically used for analog TV broadcast and now it is becoming free due to its shutdown and the rise of digital TV. The second part moves the amplifier frequency band to millimeter wave frequencies, starting at 28 GHz up to 30 GHz, and take advantage of the very large bandwidth to accommodate more users and also benefit from higher speeds. Besides, due to the 5th generation of telecommunications (5G) being expected to operate using IoT concepts, this amplifier was designed to be bi-directional, which could be used in IoT wireless repeaters for indoor applications. The amplifiers designed for the sub-3 GHz band focused on being low noise, which makes them all part of the Low Noise Amplifiers (LNA) category, and having an additional pa- rameter optimized such as linearity, power dissipation, voltage supply or include ESD protection. All LNAs are wideband, inductorless, provide single-to-differential conver- sion and they were designed using commercial 130 nm CMOS technologies from two different foundries. The sub-1 GHz band, within the 3GHz range, complies with the IEEE 802.22 standard for wideband radio applications. For post-layout simulation re- sults, the lowest voltage supply for one of the LNA is 450 mV dissipating only 2mW of power, the lowest Noise Figure (NF) for another LNA developed is 2 dB and the highest IIP3 was +10.8 dBm for the one focusing on linearity. The widest bandwidth achieved was in a 2-decades LNA design from 15 MHz to 1.5 GHz, including ESD protection on the I/O ports. The high linearity wideband LNA was measured and the results present a good compliance with the simulations. A general systematic methodology to design a wideband LNA noise canceling topology focusing in optimizing a specific parameter (bandwidth, noise figure, IIP3, power dissi- pation, etc) was developed. In total, 6 wideband LNA topologies were designed and were used to exemplify the methodology. The RFIC amplifier designed for the 28-30 GHz fre- quency band focused on being bi-directional, which makes it promising for applications such as wireless repeaters for the upcoming 5G systems. This amplifier was designed us- ing a different CMOS 130 nm technology than the previous wideband LNAs and it is com- posed by two active quasi-circulators containing a total of 8 millimeter wave transformers on chip in an area smaller than 1 mm 2 . A new topology for an active quasi-circulator was proposed and it was used as a building block for the bi-directional amplifier (BDA). The post-layout S-parameters for the whole BDA chip top level resulted in S 11 = S 22 < -11 dB, S 21 = S 12 = 5-6 dB.

Esta tese apresenta duas opções de hardware para ajudar a resolver o problema de satura- ção de espectro nas comunicações sem fio de 2014 até 2018. Ambas opções requerem a operação do “front-end” de Circuitos Integrados de Rádio Frequência (RFIC em inglês) em bandas largas de frequência. O ambiente de projeto para esta tese é o RFIC e vá- rios amplificadores foram desenvolvidos para serem utilizados em soluções de front-end RFIC. A primeira parte desta tese usa o conceito de radio cognitivo banda larga e vai para frequências tão baixas quanto dezenas de MHz até 3 GHz, onde parte da banda abaixo de 1 GHz foi historicamente utilizada para a transmissão de TV analógica que agora está sendo liberada por causa do seu desligamento e o surgimento da TV digital. A segunda parte move a banda de frequências do amplificador para frequências de ondas milimétri- cas, começando em 28 GHz até 30 GHz, e tira vantagem da larga banda para acomodar mais usuários e também se beneficiar de altas velocidades. Além disso, como a expecta- tiva de que a 5 a geração de telecomunicações opere utilizando conceitos de Internet das Coisas (IoT em inglês), este amplificador foi projetado para ser bi-direcional, o que pode ser utilizado para aplicações de repetidores sem fio para IoT em ambientes fechados. Os amplificadores projetados para a banda abaixo de 3 GHz focaram em ser de baixo ruído, o que os torna parte da categoria de Amplificadores de Baixo Ruído (LNA em inglês), e tendo um parâmetro adicional otimizado como linearidade, dissipação de po- tência, tensão de alimentação ou incluir proteção ESD. Todos os LNAs são banda larga, sem indutores, entregam conversão simples para diferencial, e eles foram projetados uti- lizando tecnologia 130 nm CMOS de duas fábricas diferentes. A banda abaixo de 1 GHz, dentro da faixa de 3 GHz, está de acordo com a banda do padrão IEEE 802.22 para apli- cações de rádio banda larga. Considerando resultados de simulações pós-layout, a tensão de alimentação mais baixa utilizada para um dos LNAs foi 450 mV, dissipando somente 2 mW de potência, a menor figura de ruído para outro LNA desenvolvido foi 2 dB e o maior IIP3 foi +10.8 dBm para o que focou em linearidade. A banda mais larga atingida foi de 2 décadas em um LNA de 15 MHz até 1.5 GHz, incluindo proteção ESD para as portas de I/O. O LNA de mais alta linearidade foi medido e os resultados apresentaram boa conformidade com as simulações. Uma metodologia de projeto sistemática geral para o projeto de um LNA com topologia de cancelamento de ruído focando em otimizar um parâmetro específico de performance (banda, figura de ruído, IIP3, dissipação de potência, etc) foi desenvolvido. No total, 6 topologias de LNA banda larga foram desenvolvidas para exemplificar a metodologia. O amplificador RFIC projetado para a banda de 28-30 GHz focou em ser bi-direcional, o que o torna promissor para aplicações como repetidores sem fio para sistemas 5G. Este am- plificador foi projetado utilizando tecnologia CMOS 130 nm diferente dos outros LNAs projetados nesta tese e ele é composto de dois quasi-circuladores ativos contendo um to- tal de 8 transformadores para ondas milimétricas em uma área de chip de apenas 1 mm 2 . Uma nova topologia para um quasi-circulador ativo foi proposta e ela foi utilizada como bloco básico para o amplificador bi-direcional (BDA em inglês). Os resultados de parâ- metros S na simulação pós-layout do chip inteiro foi de S 11 = S 22 < -11 dB, S 21 = S 12 = 5-6 dB.