Methods and tools for the design of RFICs

Abstract

Ambient intelligence is going to focus the next advances in wireless technologies. Hence, the increasing demand on radio frequency (RF) devices and applications represents, not only a challenge for technological industries to improve its roadmaps, but also for RF engineers to design more robust, low-power, small-size and low-cost devices.

Regarding to communication robustness, in the latest years, differential topologies have acquired an important relevance because of its natural noise and interference immunity. Within this framework, a differential n-port device can still be treated with the classical analysis circuit theory by means of Z-,Y-, h-parameters or the most suitable S-parameters in the radio frequency field. Despite of it, Bockelman introduced the mixed-mode scattering parameters, which more properly express the differential and common-mode behavior of symmetrical devices. Since then, such parameters have been used with a varying degree of success, as it will be shown, mainly because of a misinterpretation.

Thereby, this thesis is devoted to extend the theory of mixed-mode scattering parameters and proposes the methodology to analyze such devices. For this proposal, the simplest case of a two-port device is developed. By solving this simple case, most of the lacks of the current theory are filled up. As instance, it allows the characterization and comparison of symmetric and spiral inductors, which have remained a controversy point until now. After solving this case, the theory is extended to a n-port device.

Another key point on the fast and inexpensive development of radio frequency devices is the advance on fast CAD tools for the analysis and synthesis of passive devices. In the case of silicon technologies, planar inductors have become the most popular shapes because of its integrability. However, the design of inductors entails a deep experience and acknowledge not only on the behavior of such devices but on the use of electromagnetic (EM) simulators. Unfortunately, the use of EM simulators consumes an important quantity of time and resources. Thereby, this thesis is devoted to improve some of the aspects that slow down the synthesis process of inductors. Therefore, an ‘ab initio’ technique for the meshing of planar radio frequency and microwave circuits is described. The technique presented can evaluate the losses in the component with a high accuracy just in few seconds where an electromagnetic simulator would normally last hours.

Likewise, a simple bisection algorithm for the synthesis of compact planar inductors is presented. It is based on a set of heuristic rules obtained from the study of the electromagnetic behavior of these planar devices.

Additionally, design of a single-ended to differential low noise amplifier (LNA) in a CMOS technology is performed by using the methods and tools described.

L'enginyeria de radiofreqüència i la tecnologia de microones han assolit un desenvolupament inimaginable i avui en dia formen part de la majoria de les nostres activitats diàries. Probablement, la tecnologia mòbil ha tingut un desenvolupament més ràpid que qualsevol altre avenç tecnològic de l'era digital. Avui en dia, podem dir que el paradigma de la mobilitat s'ha assolit i tenim accés ràpid a internet des de qualsevol lloc on podem estar amb un dispositiu de butxaca. No obstant això, encara hi ha fites per endavant.

Es més que probable que el paradigma de l’ "ambient intelligence” sigui el centre dels pròxims avenços en les tecnologies sense fils. A diferencia del paradigma de l"ambient intelligence', l'evolució de la tecnologia de la informació mai ha tingut l'objectiu explícit de canviar la societat, sinó que ho van fer com un efecte secundari, en canvi, les visions d' “ambient intelligence” proposen expressament el transformar la societat mitjançant la connexió completa i la seva informatització. Per tant, l'augment de la demanda de dispositius de ràdio freqüència (RF) i de les seves possibles aplicacions representa, no només un repte per a les indústries tecnològiques per millorar els seus plans de treball, sinó també per als enginyers de RF que hauran de dissenyar dispositius de baixa potència, més robusts, de mida petita i de baix cost.

Quant a la robustesa dels dispositius, en els últims anys, les topologies de tipus diferencial han adquirit una important rellevància per la seva immunitat natural al soroll i resistència a les interferències. Dins d'aquest marc, un dispositiu de nports diferencial, encara pot ser tractat com un dispositiu 2nx2n i la teoria clàssica d'anàlisi de circuits (és a dir, la temia de quadripols) es pot aplicar a través de paràmetres Z, Y, h o els paràmetres S, més adequats en el camp de freqüència de ràdio. Tot i això, Bockelman i Eisenstadt introdueixen els paràmetres S mixtos, que expressen més adequadament el comportament diferencial i en mode comú de dispositius simètrics o asimètrics. Des de llavors, aquests paràmetres s'han utilitzat amb un grau variable d'èxit, com es mostrarà, principalment a causa d'una mala interpretació.

D'aquesta manera, la primera part d'aquesta tesi està dedicada a estendre la teoria dels paràmetres S de mode mixt i proposa la metodologia d'anàlisi d'aquest tipus de dispositius i circuits. D'aquesta forma, en el Capítol 2, es desenvolupa el cas més simple d'un dispositiu de dos ports. En resoldre aquest cas simple, la major part de les mancances de la teoria actual es posen de relleu. Com a exemple, pennet la caracterització i la comparació de bobines simètriques i espiral no simètriques, que han estat un punt de controvèrsia fins ara. Després de resoldre aquest cas, al Capítol 3 s'estén la teOIia a un dispositiu de n-ports dels quals un nombre pot ser single-ended i la resta diferencials. És en aquest moment quan la dualitat existent entre els paràmetres S estàndard i de mode mixt es pot veure clarament i es destaca en el seu conjunt. Aquesta teoria permet, tanmateix, estendre la teoria clàssica d'amplificadors quan s'analitzen per mitjà de paràmetres S.

Un altre punt clau en el desenvolupament ràpid i de baix cost dels dispositius de radiofreqüència és l'avenç en les eines CAD ràpides per a l'anàlisi i síntesi dels dispositius passius, en especial dels inductors. Aquests dispositius apareixen tot sovint en el disseny de radio freqüència degut a la seva gran versatilitat. Tot i que hi ha hagut múltiples intents de reemplaçar amb components externs o circuits, fins i tot actius, en el cas de les tecnologies de silici, els inductors planars s'han convertit en les formes més populars per la seva integrabilitat. No obstant això, el disseny d'inductors implica conèixer i posseir una experiència profunda no només en el comportament d'aquests dispositius, però també en l'ús de simuladors electromagnètics (EM). Desafortunadament, l'ús dels simuladors EM consumeix una quantitat important de temps i recursos. Per tant, la síntesi dels inductors representa un important inconvenient actualment. D'aquesta manera, la segona part d'aquesta tesi està dedicada a millorar alguns dels aspectes que frenen el procés de síntesi dels inductors. Per tant, en el Capítol 4, es descriu una tècnica 'ab initio' de generació de la malla per bobines planars en ràdio freqüència i microones. La tècnica es basa en l'estudi analític dels fenòmens d'aglomeració de corrent que tenen lloc a l'interior del component. En aquesta avaluació, no es requereix una solució explícita dels corrents i de les càrregues arreu del circuit. Llavors, el nombre de cel•les de la malla assignades a una tira de metall donada, depèn del valor inicialment obtingut a partir de l'estudi analític. La tècnica presentada pot avaluar les pèrdues en el component amb una gran precisió només en uns pocs segons, quan comparat amb un simulador electromagnètic normalment es necessitaria hores.

De la mateixa manera, en el Capítol 5 es presenta un senzill algoritme de bisecció per a la síntesi d'inductors planars compactes. Es basa en un conjunt de regles heurístiques obtingut a partir de l'estudi del comportament electromagnètic d'aquests dispositius planars. D'aquesta manera, el nombre d'iteracions es manté moderadament baix.D'altra banda, per tal d'accelerar l'anàlisi en cada pas, s'utilitza un simulador ràpid electromagnètic planar, el qual es basa en el coneixement que es té del component sintetitzat.

Finalment, en el Capítol 6, la metodologia de paràmetres S de mode mixt proposada i les eines CAD introduides s'utilitzen àmpliament en el disseny d'un amplificador de baix soroll “single-ended” a diferencial (LNA), mitjançant una tecnologia estàndard CMOS.L'amplificador de baix soroll és un dels components claus en un sistema de recepció de radio freqüència, ja que tendeix a dominar la sensibilitat i la figura de soroll (NF) de tot el sistema. D'altra banda, les característiques d'aquest circuit estan directament relacionades amb els components actius i passius disponibles en una tecnologia donada. Per tant, la tecnologia escollida, el factor de qualitat dels passius, i la forma com es caracteritzen tindran un alt impacte en les principals figures de mèrit del circuit real.