Design of a limiting amplifier for a millimeter-wave receiver baseband

Abstract

The globally unlicensed frequency band at around 60 GHz provides an interesting area of research for wireless communications device developers. The semiconductor technologies available nowadays make this frequency range usable for low-cost, short-range devices. This thesis presents the design of a limiting amplifier for a 60 GHz integrated-circuit receiver’s baseband. A gain-bandwidth product of hundreds of gigahertz is required from the limiting amplifier, which together with the noise floor requirements and layout area limitations impose a challenge to the topology.

A suitable topology is chosen based on literature study and mathematical modelling. The chosen topology is then implemented with detailed schematic and layout design. In this frequency range, the parasitic components produced in the layout have a significant influence on the performance of the amplifier. The performance is verified by simulating the layout extractions, which contain the parasitic components. Simulations in typical conditions as well as in extreme conditions, such as high and low temperatures and process corners, are conducted. The simulation results show that the limiting amplifier has a bandwidth of over 10 GHz and a gain of almost 30 dB, which fulfill the requirements set for the amplifier.

Maailmanlaajuisesti lisensioimaton 60 GHz:n taajuuskaista tarjoaa mielenkiintoisen tutkimuskohteen langattomien sovellusten kehittäjille. Nykyään saatavilla olevat puolijohdeteknologiat mahdollistavat tämän taajuusalueen käytön edullisilla lyhyen kantaman laitteilla. Tässä diplomityössä esitetään rajoittavan vahvistimen suunnittelu 60 GHz:n integroidun mikrosirun vastaanottimen kantataajuudelle. Rajoittavan vahvistimen vahvistuksen kaistanleveyden tulee olla satoja gigahertsejä, mikä yhdessä kohinavaatimusten ja komponenttiasettelun pinta-alarajoitusten kanssa asettaa haasteita vahvistintopologialle.

Sopiva topologia valitaan kirjallisuustutkimuksen ja matemaattisen mallinnuksen avulla. Valittu topologia toteutetaan yksityiskohtaisella piirikaavio- ja asettelusuunnittelulla. Tällä taajuusalueella sirun parasiittisilla komponenteilla on suuri merkitys vahvistimen toimintaan. Suorituskyky varmistetaan simuloimalla komponenttien asettelusta tehtyä mallia, joka huomioi parasiittiset komponentit. Tyypillisten olosuhteiden lisäksi simuloinnit tehdään esimerkiksi matalilla ja korkeilla lämpötiloilla sekä prosessin ääriolosuhteissa. Simulointitulosten perusteella saavutetaan yli 10 GHz:n kaistanleveys sekä lähes 30 dB:n vahvistus, mikä täyttää vahvistimelle asetetut vaatimukset.