The impact of technology scaling on integrated analogue CMOS RF front-ends for wireless applications

Kruth, Andre Konrad; Heinen, Stefan

doi:28963

The impact of technology scaling on integrated analogue CMOS RF front-ends for wireless applications = Die Auswirkungen fortschreitender Miniaturisierung moderner CMOS-Technologien auf den Entwurf analoger HF-Funkempfängereingangstufen

Kruth, Andre Konrad

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andre Konrad Kruth

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangVI, 158 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heinen, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-09-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-25632
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50411/files/Kruth_Andre.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen und Institut für Halbleitertechnik (616110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CMOS-Schaltung (Genormte SW) ; Transceiver (Genormte SW) ; Funkempfänger (Genormte SW) ; Linearverstärker (Genormte SW) ; GSM-Standard (Genormte SW) ; Mobilfunk (Genormte SW) ; Eins-durch-f-Rauschen (Genormte SW) ; Technik (frei) ; rauscharm (frei) ; Skalierung (frei) ; 65nm (frei) ; analog (frei) ; Mischer (frei) ; analogue (frei) ; low noise (frei) ; receiver (frei) ; front-end (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 600
ccs: B.4.1 * B.7.1

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen fortschreitender Miniaturisierung von CMOS Prozesstechnologien auf den Entwurf von Analog- und Hochfrequenzschaltungen. Als Fallbeispiel für die Untersuchung dienen zwei in einen preisgünstigen, energieeffizienten GSM-Mobilfunkempfänger eingebettete, rauscharme Verstärker. Während der erste Verstärker die GSM850 und GSM900 Empfangsbänder bedient, bedient der zweite Verstärker die Empfangsbänder von DCS1800 und PCS 1900. Beide Verstärker sind in einer 65nm Standard-CMOS-Prozesstechnologie implementiert und zeichnen sich durch gute analoge Schaltungseigenschaften bei moderater Stromaufnahme aus. Schaltungstechnisch basieren beide Verstärker auf kaskadierten Differenzverstärkerstufen mit kapazitiver Rückkopplung. Da besonderer Wert auf eine kostengünstige Fertigung für den Hochvolumenmarkt gelegt wird, verzichten beide Verstärker gänzlich auf die Verwendung ntegrierter Spulen. Nachdem die Leistungsanforderungen an einen GSM-Empfänger aus der offiziellen 3GPP Spezifikation hergeleitet worden sind, wird in der Arbeit diskutiert, warum eine direktumsetzende Empfängerarchitektur für eine kostengünstige Hochvolumenproduktion favorisiert wird. Hier sei vor allem die geringe Anzahl der Komponenten im Empfangspfad hervorgehoben. Zudem löst ein direkt-umsetzender Empfänger inhärent das Problem der Spiegelfrequenzunterdrückung und benötigt kein kostenintensives, externes Spiegelfrequenzunterdrückungsfilter. Gleichzeitig stellt ein homodyner Empfänger aber harte Anforderungen an die analogen Schaltungseigenschaften der Komponenten im Empfangspfad. Als Herausforderung an den Empfänger hat sich besonders im Basisbandbereich die Unterdrückung von 1/f-Rauschen und die Vermeidung von Verzerrungen gerader Ordnung herauskristallisiert. Da es sich bei dem implementierten Empfänger um die Portierung eines Designs von einer 130nm CMOS Prozesstechnologie in eine 65nm CMOS Prozesstechnologie handelt, werden konsequenterweise die analogen Eigenschaften wie Verstärkungspotential, Rauschverhalten, Transitfrequenz und Linearität, der in beiden Technologien zur Verfügung stehenden Baulemente, intensiv untersucht und verglichen. Vor allem das Verstärkungspotential der Transistoren nimmt mit reduzierter Kanallänge stark ab. Da sich GSMAnwendungen in einem Frequenzbereich weit unterhalb der Transitfrequenz beider CMOS Prozesstechnologien bewegen, profitiert die analoge Schaltungstechnik kaum von dem in der 65nm Technologie erweiterten Frequenzbereich. Zusätzlich zu dem eigens angestellten Vergleich zweier CMOS Prozesstechnologiegenerationen werden in der Fachliteratur veröffentlichte Analysen bzgl. der analogen Eigenschaften moderner CMOS Technologien diskutiert und bewertet. Die implementierten Verstärker sind Teil einer kompletten direkt-umsetzenden, homodynen Sende-/Empfangseinheit, die Anfang 2009 auf dem Markt erhältlich sein wird. Aufgrund der vielfältigen Abhängigkeiten im Gesamtsystem z.B. zwischen den Verstärkern und dem Quadraturabwärtsmischer, werden die Verstärker im Kontext der gesamten analogen Empfängereingangsstufe (rauscharme Verstärker, Frequenzabwärtsmischer und Basisbandfilter) in Form von Simulations- und Messdaten evaluiert. Die entwickelte Hardware ist in enger Projektzusammenarbeit mit einem renomierten Industriepartner aus der Halbleiterbranche entstanden. Abgeschlossen wird die Arbeit durch einen Ausblick auf das Kosteneinsparpotential durch zukünftige Miniaturisierung von CMOS-Prozesstechnologien. Dabei stellt sich heraus, dass nur Produkte mit einem hohen Anteil an digitaler Funktionalität ein nennenswertes Einsparpotential durch eine signifikant reduzierte Chipfläche besitzen. Zugleich werden Hindernisse wie komplexere Designregeln bei der physikalischen Implementierung, erhöhte Herstellungskosten für Belichtungsmasken, verschlechterte analoge Eigenschaften von elementaren Bauelementen und erhöhte Entwicklungskosten aufgrund der steigenden Komplexität von Hochintegraten und wachsender elektromagnetischer Verkopplungen bei Hochintegraten aufgezeigt.

This work investigates the impact of recent CMOS process technology shrinks on analogue integrated circuit design. Two LNAs in a wireless communication application serve as an application example for the investigation. Two LNAs have been implemented in a contemporary 65nm standard CMOS process technology for usage in a low-cost low-power mobile 2.5G GSM receiver front-end. The first LNA serves the GSM low bands whereas the second LNA serves the GSM high bands. The underlying LNA architecture, consisting of two cascaded differential stages with capacitive feedback, achieves appropriate gain, noise and linearity performance at moderate current consumption while omitting die area consuming integrated inductors. The LNAs are embedded into the zero-IF receiver front-end of a complete GSM SoC transceiver solution that will enter mass production by the beginning of 2009. Due to the manifold interdependencies and interactions with other receiver front-end components like the quadrature down-conversion mixer, the LNAs have been designed and evaluated in the context of a complete analogue receiver front-end in close cooperation with a business partner from the industrial wireless communication background. The performance specifications for the receiver front-end and the individual circuit blocks have been derived directly from the official 3GPP GSM system specifications. With the specification requirements in mind it has been elaborated on the choice of a direct-conversion receiver as the most reasonable wireless receiver topology for low-cost mass-production in standard CMOS technologies. Design challenges i.e. the impact of flicker noise on the receiver sensitivity are countered by an innovative mixer architecture with a passive current-commutating stage and a careful design of the receiver baseband circuit blocks. The developed GSM transceiver is a transfer and adaptation of a 130nm GSM chip to the special environment introduced by a 65nm low-power CMOS process technology. Consequently the impact of CMOS technology scaling on analogue and RF circuit design in terms of amplifying potential, noise and linearity performance has been analysed in a profound model based comparison of transistor unit cells and passive components in a 130nm and a 65nm CMOS process technology. It is illustrated that the amplifying potential of transistors gM/gDS with minimum gate lengths l is severely deteriorated when going from l=120nm to l=60nm devices. Moreover, an inferior noise performance is observed for minimum channel length transistor devices. It is also shown that for realistic bias conditions the individual transistor device with l=60nm exhibits less odd order distortion than with l=120nm. The performance of the designed and implemented analogue circuit blocks of the receiver frontend have been evaluated by pre-layout and post-layout circuit simulation results with a special focus on the LNAs. The LNAs achieve satisfactory S11<-19 dB, GV>18.3dB, CP1i>22.8dBm and IIP3>-14.1dBm in all four GSM frequency bands. The noise figures are an excellent NF<1.7dB for the GSM low bands and NF<2.3dB for the GSM high bands. Both fully differential LNA topologies have a moderate current consumption of IDC<9.7mA. Furthermore, the simulation results for the complete receiver front-end are backed by a series of measurement results of actual testchip samples. The general functionality of the receiver front-end has been proven. The complete receiver front-end achieves a GV>58.3 dB and NF<2.4dB in the low band mode. In the high band mode GV>54.0dB and NF<3.1dB are achieved. The total IIP3>-16.3dBm while IIP2>42.2dBm. The good accordance between simulation results and measurement results gives rise to superior product-ready performance expectations for future testchips. The overall transfer of the receiver front-end under investigation from a 130nm CMOS technology to a 65nm technology is considered successful. The work is concluded by a summary of prospects of future CMOS process technology nodes with respect to analogue and RF circuit design. After the constraints and limits of conventional deep sub-micron CMOS devices have been pointed out, light is shed on promising approaches to overcome these roadblocks on the ITRS. The ongoing shrink of CMOS process technologies is driven by the semiconductor manufacturers’ desire to integrate given electrical functionality on less die area and consequently reduce the production costs in mass production. Thus the economical benefits of future CMOS process technology shrinks are briefly investigated. It is stressed that significant economical benefits result only for the miniaturisation of systems with a large amount of digital functionality of extended feature sets.

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