CMOS and BiCMOS Building blocks for a microwave efficient frequency conversion, up to millimeter-Waves
Circuits CMOS et BiCMOS pour une conversion de fréquence efficace jusqu'aux fréquences millimétriques
Résumé
This work presents the design of building blocks that may be used in a microwave frequency translation front-end including LO signal generation. The first part of this work is dedicated to the design and the characterization of a 15 GHz PLO (Phase Locked Oscillator) which may be used as the local oscillator (LO) of a mixer. It has been implemented on a 130 nm CMOS process from STMicroelectronics. The main goals was to design a low power consumption while maintaining near state-of-the-art phase noise performances. Measurements, as well as electrical simulations, have revealed a phase noise of -68.9 dBc/Hz at an offset frequency of 100 kHz and an output frequency of 15 GHz. The output range is from 14.2 GHz to 15.1 GHz. An improvement of -20 dBc/Hz has been further demonstrated by simulation thanks to a slight rework in the charge pump. The PLO power consumption is 28 mW. The second part of this work is dedicated to the design of a double-balanced resistive mixer exhibiting very low losses. The circuit is intended to down-convert an RF signal from K-band or V-band into an intermediate frequency of 1 GHz. The voltage sampling (K-band) and sub-sambling (V-band) technique is used to drastically reduce conversion losses from an RF signal. However, such mixer requires a low-duty cycle LO voltage. A pulse shaper is then designed to drive this mixer at a frequency up to 26 GHz. The down-converter has been processed in a 130 nm BiCMOS technology from IBM. Measurements demonstrate conversion losses of -2.1 dB and a noise figure of 6.3 dB at an RF frequency of 19 GHz. The RF frequency range extends from 4 to 27 GHz. The same circuit has also been tested in a sub-harmonic configuration. The available RF frequency range then extends from 16 to 64 GHz range. Conversion losses reach 8 dB with a noise figure of 9.5 dB at an RF frequency of 58 GHz.
Cette thèse présente la conception de différentes fonctions pouvant entrer dans la constitution d'un convertisseur de fréquence incluant la génération de l'oscillateur local. La première partie de ce travail présente un synthétiseur de fréquence fixe (PLL) centré sur 15 GHz. Le circuit exploite une technologie CMOS 130 nm proposée par STMicroelectronics. L'objectif visé est d'obtenir une faible consommation tout en préservant des performances en bruit de phase proche de l'état de l'art. Les mesures du circuit, en accord avec les simulations, ont révélé un bruit de phase de -68,9 dBc/Hz à 100 kHz de la porteuse pour une fréquence de sortie de 15 GHz, mais une amélioration de ce bruit d'environ -20 dBc/Hz a pu être démontrée par simulation en corrigeant légèrement la pompe de charge. La consommation de l'ensemble s'établit à 28 mW. La deuxième partie de ce travail démontre la faisabilité d'un mélangeur résistif doublement équilibré à très faibles pertes. Une topologie originale est développée pour transposer efficacement un signal RF en bande K ou en bande V vers une fréquence intermédiaire, fixée arbitrairement à 1 GHz. Le circuit exploite le principe de l'échantillonnage (Bande K), ou du sous-échantillonage (Bande V) en tension pour fortement réduire ces pertes de conversion par rapport à un mélangeur passif classique. Pour fonctionner correctement, celui-ci nécessite cependant une tension de commande OL à très faible rapport cyclique. Deux circuits réalisant la mise en forme du signal OL sont démontrés et fonctionnent jusqu'à 26 GHz. Le mélangeur a été réalisée à partir d'une filière technologique BiCMOS 130 nm de IBM. Les mesures révèlent des performances à l'état de l'art, avec des pertes de conversion de -2,1 dB et un facteur de bruit de 6,3 dB à 19GHz. La plage de fonctionnement RF s'étale de 4 à 27 GHz. Le même circuit testé dans une configuration de sous-échantillonnage fonctionne entre 16 et 64 GHz sur la voie RF. A 58 GHz, les pertes de conversion approchent 8 dB avec un facteur de bruit de 9,5 dB.
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