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Écrit par
Sofiane Aloui
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Thesee
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◦N d’ordre : 4165
Thèse
présentée à
L’Université Bordeaux 1
Ecole doctorale des Sciences Physiques et de l’Ingénieur
par Sofiane ALOUI
Pour obtenir le grade de
Docteur
Spécialité : électronique
—————————
Design of 60GHz 65nm CMOS Power Amplifier
Soutenance prévue le 6 Décembre 2010
Après avis de :
M. Georg Boeck Professeur Technischen Universität Berlin Rapporteur
Patrice Gamand HDR NXP Semiconductors Rapporteur
Devant la commission d’examen formée de :
M. Didier Belot Expert ST Microelectronics Industriel
Georg Boeck Professeur Technischen Universität Berlin Rapporteur
Melle. Nathalie Deltimple MCF IPB Bordeaux Examinateur
M. Yann Deval Professeur IPB
Patrice Gamand HDR NXP Semiconductors Rapporteur
Eric Kerhervé Professeur IPB Bordeaux Directeur de thèse
Robert Plana LAAS Toulouse Co-Directeur de thèse” La raison sans passion n’est qu’un roi sans sujet”Remerciements
A mes parents,
A mon épouse Claire,
A mon proche François Rivet.4Contents
List of Abbreviations 17
List of Notations 21
Introduction 25
1 Overview of PA design for 60GHz WPAN applications 29
1.1 60GHz WPAN background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.1.1 Power devices: CMOS, a key for the future . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.1.2 60GHz band overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.1.3 60GHz transceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.2 60GHz WPAN PA design issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.2.1 PA fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.2.2 Modulation issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.2.3 Scaling technology issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.2.4 High frequency issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.3 60GHz CMOS technology PA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.3.1 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.3.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.4 Thesis contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2 Passive device optimization 69
2.1 Design flow process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.1.1 High frequency considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.1.2 Simulation approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.1.3 Measurement setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.2 Passive Device Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.2.1 Transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.2.2 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
56 Contents
2.2.3 RF-pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3 60GHz PA Design 115
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.2 PA design methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2.1 PA architecture choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.2.2 Power stage design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.2.3 Driver stage design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.2.4 Matching network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2.5 Stability analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.3 Single-ended PA design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.3.1 Passive device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.3.2 Active device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.3.3 PA description and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.4 Differential PA design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.4.1 Balun design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.4.2 PA design description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.4.3 PA measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.5 Comparison with the state of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.6 Future works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.6.1 Co-integration PA/emmiter in SoC configuration . . . . . . . . . . . . . . 171
3.6.2 Co-in PA/transceiver in SiP . . . . . . . . . . . . . 172
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Conclusion 175
Publications 179
Bibliography 181
A Preliminary PA design - Circuit 1 193
A.1 Active device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
A.2 Passive device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
A.3 PA description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196Contents 7
A.4 Simulation and measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.4.1 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.4.2 Measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
B Preliminary PA design - Circuit 2 201
B.1 PA description and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
B.1.1 Small signal performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
B.1.2 Large signal performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
B.1.3 Performance improvements with load pull setup . . . . . . . . . . . . . . . 205
B.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
C PA Characterization for OFDM modulated signal 207
C.1 Two-tone simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
C.2 PA response to OFDM modulated signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
C.2.1 Transmitter building blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
C.2.2 ACPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
C.2.3 EVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
C.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2138 ContentsList of Figures
1.1 Semiconductor market share . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2 Silicon ability to target millimeter Wave applications . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3 System combining MIMO and beam-forming techniques . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4 Comparison of wireless standards-setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.5 Millimeter-wave applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6 Oxygen absorption at 60GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.7 NEC’s AlGaAs/InGaAs transceiver module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.8 IBM’s SiGe single-chip 60GHz transceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.9 IMEC’s 45nm 60GHz front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.10 WPAN spectrum overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.11 60GHz WLAN/WPAN applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.12 Heterogenous devices in the 60GHz WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.13 Building blocks of a SHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.14 60GHz CMOS single chip radio block diagram based on SHT . . . . . . . . . . . 44
1.15 Building blocks of a DCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.16 Block diagram and die micrograph of a 60GHz DCT . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.17 The SDRT principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.18 Chip micrograph of the 60GHz six-port transceiver based on SDRT . . . . . . . . 47
1.19 Characteristic parameters of a PA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.20 P versus P with a SW signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51out in
1.21 OFDM signal generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.22 P versus P with a modulated signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54out in
1.23 System linearity FoM of a communication system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.24 BSIM3 model considerations . . . . . .