Ανάλυση και σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ασύρματων πομποδεκτών χαμηλής κατανάλωσης σε nm-CMOS τεχνολογίες
Authors: Κυτωνάκη Ελένη-Σωτηρία 
Published: August 2021

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με το σχεδίασμά ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ασύρματων πομποδεκτών υψηλών συχνοτήτων σε σύγχρονες CMOS τεχνολογίες. Τα κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων παρουσιάζουν ιδιομορφίες, κυρίως λόγω των έντονων παρασιτικών που αναπτύσσονται στις συχνότητες αυτές καθώς και των αναπόφευκτων παρεμβολών λόγω σύζευξης μεταξύ των στοιχείων και των καλωδίων του ίδιου του κυκλώματος όπως και του κυκλώματος και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Στις υψηλές συχνότητες, τα παρασιτικά φαινόμενα είναι συγκρίσιμου μεγέθους με τις υπόλοιπες χωρητικότητες και τις επαγωγές του κυκλώματος και δεν μπορούν να αγνοηθούν. Επιπλέον, η μετάβαση σε τεχνολογίες με χαρακτηριστικά μήκη καναλιού μερικών δεκάδων νανομέτρων, έχει ως αποτέλεσμα τα φαινόμενα μικρού μήκους καναλιού, short channel effects, να εμφανίζονται εντονότερα. Τις ιδιαιτερότητες αυτές, των σύγχρονων τεχνολογιών, καλείτε να λάβει υπ' όψιν του και να αντιμετωπίσει ο σχεδιαστής, ώστε να επιτύχει τη σχεδίαση κυκλωμάτων με βελτιωμένη συμπεριφορά. Στην παρούσα διατριβή μελετάται ο τρόπος με τον οποίο τα φαινόμενα μικρού μήκους καναλιού επιδρούν στη σχεδίαση, σε υψηλές συχνότητες. Γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των κυκλωμάτων ασύρματων πομποδεκτών, ενώ αναλύονται διεξοδικά δύο κυκλώματα ιδιαίτερης σημασίας για τον ασύρματο πομποδέκτη, ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου LNA και ο ελεγχόμενος από τάση ταλαντωτής VCO. Ένας ενισχυτής χαμηλού θορύβου, με μαγνητική ανατροφοδότηση, ο οποίος λειτουργεί στα 5 με 6 GHz και έχει υλοποιηθεί στη CMOS τεχνολογία των 90 nm της IBM παρουσιάζεται αναλυτικά. Το κύκλωμα του ενισχυτή χαμηλού θορύβου είναι από τα βασικότερα κυκλώματα των σύγχρονων ασύρματων επικοινωνιών, καθώς είναι το πρώτο στην αλυσίδα του δέκτη και η συμπεριφορά του επηρεάζει όλη την υπόλοιπη δομή. Το κύκλωμα αυτό παρουσιάζει πολύ καλή απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου, ενώ λειτουργεί υπό χαμηλή τάση τροφοδοσίας (1 Volt) και έχει ιδιαίτερα χαμηλό θόρυβο, εξ αιτίας του inductive degeneration που υλοποιεί. Ο ενισχυτής παρουσιάζει πολύ καλή γραμμικότητα χωρίς, να υποβαθμίζεται το κέρδος του. Ο χαμηλός θόρυβος του κυκλώματος και η σχετικά καλή γραμμικότητά του, τον καθιστούν κατάλληλο για την υλοποίηση ενός σύγχρονου RF front-end. Ένας ταλαντωτής, μεγάλου εύρους λειτουργίας, ελεγχόμενος από τάση, με διαφορικό έλεγχο συντονισμού και ρύθμιση του ρεύματος ανάλογα με τη συχνότητα λειτουργίας έχει υλοποιηθεί στη, χαμηλής κατανάλωσης, CMOS τεχνολογία, των 65 nm, της IBM. Το κύκλωμα δίνει τέσσερα, όμοια σήματα στην έξοδό του, τα οποία έχουν 90° διαφορά φάσης. Ο ταλαντωτής λειτουργεί υπό χαμηλή τάση (650 mV) και παρουσιάζει ιδιαίτερα χαμηλό θόρυβο, σε όλο το εύρος λειτουργίας του. Ο ελεγχόμενος από τάση ταλαντωτής μπορεί να συμπεριληφθεί σε ένα βρόχο κλειδώματος φάσης (phase locked loops, PLL) για την υλοποίηση, για παράδειγμα, ενός συνθέτη συχνοτήτων ή ενός Σ — Δ διαμορφωτή. Ένα άρθρο, που συμπεριλαμβάνει τα αποτελέσματα της εργασίας, που αφορά στον ενισχυτή χαμηλού θορύβου, έχει γίνει δεκτό για δημοσίευση σε έγκριτο διεθνές περιοδικό. Επίσης, ένα ακόμα άρθρο, το οποίο αναφέρεται στα έντονα φαινόμενα που παρουσιάζονται σε τεχνολογίες με χαρακτηριστικό μήκος καναλιού της τάξεως του μικρόμετρου και την περιγραφή τους από ένα τέτοιο μοντέλο και συγκεκριμένα το ΕKV, έχει δημοσιευτεί σε πρακτικά διεθνούς συνεδρίου, ενώ μέρος της συνολικής μέχρι τώρα δουλειάς, έχει παρουσιαστεί σε δύο διεθνή συνέδρια. Τέλος, τα αποτελέσματα της εργασίας, που αφορά στον ελεγχόμενο από τάση ταλαντωτή, έχουν επίσης σταλεί προς δημοσίευση σε έγκριτο διεθνές περιοδικό.