130 nm SOI CMOS technology for microwaves applications
Utilisation des technologies CMOS SOI 130 nm pour des applications en gamme de fréquences millimétriques
Résumé
Silicon On Insulator (SOI) CMOS technology has already shown good performances for digital applications compared to bulk CMOS technology. At nanometer-scale, SOI CMOS transistors exhibit very high cut-off frequencies, enabling the design of millimeter-wave integrated circuits and therefore the joint integration of microwave circuits with low frequency analog and high-speed digital functions for SoC applications. However, high losses in passive components remain the main limiting factor for microwave applications with CMOS technologies.
The purpose of this work was to investigate the advantages of a standard 130 nm SOI CMOS process provided by ST-Microelectronics (Crolles), for microwave applications beyond 20 GHz, by designing typical microwave transceiver circuits. Three distributed amplifiers in K band were designed and measured, enabling our models validation. Despite high losses in transmission lines reducing achievable gain and bandwidth, measured performances show the interest in using SOI CMOS for microwave applications. Then, a new series of circuits – distributed amplifiers, low noise amplifiers and active mixers – using transmission lines with lower losses were designed. Performances simulations show a significant improvement with a twofold gain-bandwidth product increase for the distributed amplifier and CMOS state-of-the-art performances for low noise amplifiers and mixers.
The purpose of this work was to investigate the advantages of a standard 130 nm SOI CMOS process provided by ST-Microelectronics (Crolles), for microwave applications beyond 20 GHz, by designing typical microwave transceiver circuits. Three distributed amplifiers in K band were designed and measured, enabling our models validation. Despite high losses in transmission lines reducing achievable gain and bandwidth, measured performances show the interest in using SOI CMOS for microwave applications. Then, a new series of circuits – distributed amplifiers, low noise amplifiers and active mixers – using transmission lines with lower losses were designed. Performances simulations show a significant improvement with a twofold gain-bandwidth product increase for the distributed amplifier and CMOS state-of-the-art performances for low noise amplifiers and mixers.
La technologie CMOS SOI (« Silicon On Insulator ») a déjà montré son intérêt pour les circuits numériques par rapport à la technologie CMOS sur substrat massif (« bulk »). Avec l'entrée des technologies CMOS dans l'ère des dimensions nanométriques, les transistors atteignent des fréquences de coupures élevées, ouvrant la voie aux applications hyperfréquences et de ce fait à l'intégration sur la même puce des circuits numériques, analogiques et hyperfréquences. Cependant, la piètre qualité des éléments passifs reste le principal verrou des technologies CMOS pour y parvenir.
Les travaux effectués lors de cette thèse portaient sur l'étude des aptitudes de la technologie CMOS SOI 130 nm de ST-Microelectronics pour des applications hyperfréquences au-delà de 20 GHz. Ils consistaient plus précisément à concevoir des circuits de démonstration pouvant entrer dans la composition d'une chaîne d'émission/réception. Trois amplificateurs distribués en bande K ont d'abord été conçus et mesurés. Malgré des pertes élevées dans les lignes de transmission limitant ainsi la bande passante et le gain, les performances mesurées montrent l'intérêt de cette technologie pour les hyperfréquences. Ensuite, une nouvelle série de démonstrateurs – amplificateurs distribués, amplificateurs faible bruit et mélangeurs actifs – a été conçue en employant des lignes à plus faibles pertes que celles utilisées précédemment. Les résultats de simulation montrent que le produit gain-bande des amplificateurs distribués a doublé en conservant la même architecture. Les simulations des amplificateurs faible bruit et des mélangeurs actifs montrent des performances à l'état de l'art en CMOS.
Les travaux effectués lors de cette thèse portaient sur l'étude des aptitudes de la technologie CMOS SOI 130 nm de ST-Microelectronics pour des applications hyperfréquences au-delà de 20 GHz. Ils consistaient plus précisément à concevoir des circuits de démonstration pouvant entrer dans la composition d'une chaîne d'émission/réception. Trois amplificateurs distribués en bande K ont d'abord été conçus et mesurés. Malgré des pertes élevées dans les lignes de transmission limitant ainsi la bande passante et le gain, les performances mesurées montrent l'intérêt de cette technologie pour les hyperfréquences. Ensuite, une nouvelle série de démonstrateurs – amplificateurs distribués, amplificateurs faible bruit et mélangeurs actifs – a été conçue en employant des lignes à plus faibles pertes que celles utilisées précédemment. Les résultats de simulation montrent que le produit gain-bande des amplificateurs distribués a doublé en conservant la même architecture. Les simulations des amplificateurs faible bruit et des mélangeurs actifs montrent des performances à l'état de l'art en CMOS.
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