Design and layout techniques in analog/RF integrated circuits

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία ανάπτυξη στα αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα πολύ υψηλών συχνοτήτων (RFIC) οφείλεται κυρίως στην εξέλιξη της τεχνολογίας CMOS. Οι λόγοι που οδήγησαν σε αυτήν την ανάπτυξη συνοψίζονται κυρίως στους εξής: την υψηλή απόδοση, που απορρέει από τη σμίκρυνση του μήκους καναλιού των CMOS τεχνολογιών, το χαμηλότερο κόστος τους, συγκριτικά με άλλες τεχνολογίες, καθώς και την γρήγορη ενσωμάτωση τους στον τομέα της μικροηλεκτρονικής. Αποτέλεσμα των παραπάνω, είναι τεχνολογίες CMOS με μήκος καναλιού κάτω από τα 45nm να θεωρούνται, πλέον, αιχμή της τεχνολογίας. Λόγω του υψηλού λόγου απόδοσης προς κόστος και της αξιοπιστίας (reliability) τους, τεχνολογίες με μεγαλύτερα μήκη καναλιού (90nm ή και 180nm) χρησιμοποιούνται ακόμα και στις μέρες μας κατά κόρον στην σχεδίαση και κατασκευή RFICs. Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη και αξιοποίηση τεχνικών σχεδίασης για RFICs υψηλής απόδοσης, καλύπτοντας ένα μεγάλο εύρος CMOS τεχνολογιών, από τα 90nm ως τα 30nm. Η παρούσα έρευνα εκτείνεται από την ορθή υλοποίηση του φυσικού σχεδίου (layout) RF διατάξεων και κυκλωμάτων έως τον καθορισμό του βέλτιστου σημείου λειτουργίας τους και βρίσκει εφαρμογή σε κυκλώματα ενισχυτών χαμηλού θορύβου (LNA). Για τον σκοπό αυτό σχεδιάστηκε, υλοποιήθηκε και κατασκευάστηκε ένα RF τεστ τσιπ σε τεχνολογία 90nm της TSMC. Οι δομές που υλοποιήθηκαν, στη συνέχεια μετρήθηκαν on wafer,, χαρακτηρίσθηκαν και μοντελοποιήθηκαν με το EKV3 μοντέλο έως τα 26.5GHz. Εν συνεχεία, μελετήθηκε και παρουσιάζεται η επίδραση βασικών παραμέτρων σχεδίασης, όπως μήκος (L), πλάτος (W) καναλιού, αριθμός δακτύλων (NF) στην απόδοση των MOSFET δομών και των ενισχυτών χαμηλού θορύβου, μέσω αντιπροσωπευτικών δεικτών απόδοσης (figures of merit), σε τεχνολογία με μήκος καναλιού 90nm. Οι συγκεκριμένοι δείκτες απόδοσης μελετήθηκαν επίσης σε προηγμένη CMOS τεχνολογία με μήκος καναλιού 30nm. Tα αποτελέσματα, τα οποία επικυρώθηκαν με το EKV3 μοντέλο, ανέδειξαν την μετατόπιση του βέλτιστου σημείου λειτουργίας RF κυκλωμάτων προς το μέσο της περιοχής μέτριας αναστροφής, με την μείωση του μήκους καναλιού. Το γεγονός αυτό είναι πολύ σημαντικό, καθώς καθιστά εφικτή την μείωση της κατανάλωσης ισχύος, με ταυτόχρονη αύξηση της συνολικής απόδοσης των εν λόγω κυκλωμάτων.