Entwurf von HF-Schaltungen mit niedrigem Stromverbrauch im K-Band-Frequenzbereich unter Anwendung der CMOS-Technologie

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.Millimeter-wave (mm-wave) CMOS transceivers have attracted interest in recent years, especially in the 24 GHz and 60 GHz ISM bands. As indispensable building blocks in a wireless transceiver, frequency generation and conversion circuits are confronted by many design challenges. At mm-wave frequencies, the voltage controlled oscillator (VCO) suffers from a poor phase noise and a limited tuning range, while the frequency divider is usually accompanied by a narrow locking range and high power consumption. Direct down-conversion mixer, on the other hand, suffers from a very poor noise figure as a result of the flicker noise. For the generation of the LO signals with low power consumption, the design of the VCO encounters difficulties. Moreover, the generation of IQ signals with high accuracy over a wide band is much more challenging. In this dissertation, new techniques and optimized topologies are proposed to improve the performance of mm-wave frequency generation and conversion circuits. Employing a transformer feedback topology, a 24 GHz LC-VCO was designed using 130 nm CMOS technology. It achieves a wide tuning range and consumes one fourth of the power that the conventional LC-VCO requires. The designed transformer feedback VCO has comparable phase noise to the conventional counterpart. Two designs of the mm-wave frequency divider have also been presented. One design is a Ka-band Miller frequency divider in 130 nm CMOS technology. A specific optimization approach was followed to achieve a maximum locking range for low power consumption. The loop gain is maximized over the widest possible frequency range, the Q factor of the load inductor, on the other hand, is chosen such that the third order harmonic is rejected by a required predetermined value. Measurement results of the designed circuits show that their performance compares to the state-of-the-art developments and satisfies the 24 GHz FMCW radar application. The other design is a 45 GHz static frequency divider using 90 nm CMOS technology. New techniques such as “inductive peaking”, “split resistors”, and “asymmetric sizing of input transistors” are employed to minimize the power consumption of the divider. Moreover, direct down-conversion mixer is designed. Overcoming the flicker noise effect was a challenge. Novel current bleeding network was therefore proposed. Not only the noise performance is improved but the conversion gain is increased as well. Based on the designed static frequency divider and the direct down-conversion and up-conversion mixers, complete IQ-modulator and demodulator were eventually implemented using 90 nm CMOS technology. Measurement results of the designed and tested circuits show that their performance compares to the state-of-the-art developments and satisfies the 60 GHz high-data-rate communication application of the IEEE 802.15.3c standard