6G uygulamaları için terahertz CMOS çınlayıcı devresinin farklı teknolojiler ile tasarımı
Design of terahertz CMOS oscillator circuit in different technologies for 6G applications
Yazar: UTKU ULUER
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ÜNLÜ ; DR. ERTAN ZENCİR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüz teknolojisi, iletişim, spektroskopi, servo motor kontrolü vb. dahil olmak üzere sabit bir sinyal kaynağının gerekli olduğu çeşitli alanlarda yüksek frekanslarda çalışabilen devre bileşenlerinin ve sistemlerinin geliştirilmesine öncülük etmektedir. Özellikle haberleşme sektöründe, yüksek veri hızları için alıcı-verici entegre devrelerin çalışma frekanslarının da terahertz (THz) aralığına ulaştığı görülmektedir. Araştırmalar, verici ve alıcı mimarilerini ayrı ayrı oluşturan ve frekans arttıkça terahertz frekanslarına uyum sağlayan alt parçaların oluşturulmasına yönelik çalışmaların gerekliliğini doğurmuştur. Ayrıca, 5G'nin ötesindeki iletişim teknolojisi, THz altı frekanslarda çalışan güvenilir devreler gerektirmektedir.
Bu tezde, alt-THz frekansları hedeflenerek, alışılmışın dışında yöntemlerle dönüşüm verimliliği (Doğru akımdan Radyo frekansa) esas alınarak, entegre sinyal kaynaklarının performansının artırılması amaçlanmaktadır. 22 nm FDSOI ve 65 nm CMOS teknolojilerinde temel bir diferansiyel osilatör devre topolojisi araştırılmıştır. Her iki teknolojide de THz altı frekanslarda kararlı salınım elde etmek için aynı devre topolojisi kullanılmaktadır. Transistör küçük sinyal modellerini ve osilatör devre modellerini geliştirmek için teorik temeller araştırılmıştır. Bu geliştirilmiş devre modelleri ile temel diferansiyel salıngaç devresi analiz edilir. Bu analizlerde, Z(Y)-parametreleri kullanılarak giriş empedansı hesaplanmakta ve osilasyon çekirdeğini oluşturan teorik eşitliklere ulaşılmaktadır.
22 nm FDSOI, düşük sızıntı ve hızlı çalışma avantajları ile verimli sinyal kaynağı tasarlamak için göze çarpan bir teknolojidir. Bu teknoloji verileri kullanılarak 300 GHz ve 350 GHz operasyonlu iki osilatör devresi Süreç Tasarım Kiti (STK) modelleri kullanılarak tasarlanmıştır. 22 nm FDSOI'nin yetenekleri ve yüksek frekans performansı, alt-THz frekanslarında verimli sinyal üreteci tasarlamaya uygunluğu açısından incelenmiştir. Bu bağlamda, 600 mV ve 200 mV tepeden tepeye (Vp-p) sinyaller, 22 nm FDSOI'de sırasıyla 300 GHz ve 350 GHz osilatörlerden elde edilmiştir. Benzer şekilde bu tezin ana amacı kapsamında, 65 nm CMOS'ta üretime hazır 190 GHz temel diferansiyel osilatör devresi geliştirilmiştir. Üretime hazır osilatör devresi %1,915 DA-RF verimliliği gibi başarılı bir değerle sonuçlanmıştır. 65 nm CMOS'ta geliştirilen bu osilatör devresi, transistör gövde bağlantısının, THz altı frekanslarda DA-RF verimliliği üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılmıştır. Üç tip gövde bağlantısı kullanılmıştır: geleneksel topraklanmış gövde, kaynak terminale  bağlı gövde ve yüzer gövde. En iyi performans, benzetim sonuçlarına göre 209.3 GHz'de 1.57 Vp-p diferansiyel direnaj terminal voltajına ulaşan yüzer gövdeli transistörlerle elde edilmiştir. Topraklanmış gövde ve kaynak terminale bağlı gövde transistörlerle elde edilen sonuçlar, sırasıyla 210.6 GHz ve 210 GHz'de 1.26 Vp-p ve 1.23 Vp-p'dir. Ek olarak, güç hesaplarını yapabilmek ve gelecekteki ölçüm çalışmalarına hazırlık için bir diferansiyelden tek uçluya transformatör kullanılarak osilatörün çıkışına 50 ohm'luk yük bağlanmıştır. Transformatör ile, farklı gövde bağlantılarına sahip üç osilatör devresinin tümü yaklaşık 191 GHz'de salınır. Topraklanmış gövde, kaynağa bağlı gövde ve yüzer gövde konfigürasyonları için çıkış gücü sırasıyla -7.49 dBm, -8 dBm ve -6.35 dBm'dir.

Abstract:
Today's technology has pioneered the creation of circuit components and systems that can work at high frequencies in various domains where a steady signal source is required, including communication, spectroscopy, servo motor control, and so on. It is observed, particularly in the sector of communication, that the operating frequencies of transceiver ICs for high data rates also reach the terahertz range. Research have led to the requirement for studies to create the sub-parts that make up the transmitter and receiver architectures individually and adapt to terahertz frequencies as frequency has increased. Furthermore, communication technology beyond 5G requires reliable circuits that operate at sub-THz frequencies.
In this thesis, sub-THz range is targeted to enhance the performance of integrated signal sources in terms of conversion efficiency (DC to RF) by utilizing unorthodox methods. A fundamental differential oscillator circuit topology is investigated in two particular technology of 22 nm FDSOI and 65 nm CMOS. The same oscillator topology is used to seek stable oscillation at sub-THz frequencies in both technologies. Theoretical foundations are investigated in order to enhance transistor small signal models and oscillator circuit models. With these enhanced circuit models, the fundamental differential oscillator circuit is employed, and the theoretical background of the oscillator is created utilizing Z(Y)-parameters.
22-nm FDSOI is a noticeable technology for designing efficient signal source with low leakage and fast operation advantages. Two oscillator circuits of 300 GHz and 350 GHz operations are designed using Process Design Kit (PDK) models. Capabilities and high frequency performance of 22 nm FDSOI is examined. 600 mV and 200 mV peak-to-peak signals are acquired from 300 GHz and 350 GHz oscillators respectively in 22 nm FDSOI. In the same manner with the objective of this thesis, a tape-out ready 190 GHz fundamental differential oscillator is developed in 65 nm CMOS. It is resulted with 1.915% DC-to-RF efficiency. That oscillator circuit constructed in 65 nm CMOS is used to investigate the effect of transistor body connection on DC-to-RF efficiency at sub-THz frequencies. There are three types of body connections available: conventional grounded body, body connected to the source terminal, and floating body. The best performance is obtained with floating body transistors that achieves 1.57 V peak-to-peak (Vp-p) differential drain voltage at 209.3 GHz according to the accurate simulations. The results with grounded body and body-source connected transistors are 1.26 Vp-p and 1.23 Vp-p at 210.6 GHz and 210 GHz respectively. Additionally, a differential to single-ended transformer is used to connect 50-ohm load for future measurement studies and power calculation. With the transformer, all three oscillator circuits with distinct body connections oscillate at around 191 GHz. For grounded body, body connected to the source, and floating body configurations, the output power is -7.49 dBm, -8 dBm, and -6.35 dBm, respectively.