L'intégration des circuits est au centre de l'enjeu lié à la réduction de l'encombrement et des coûts de fabrication des systèmes de télécommunication. Dans les systèmes d'émission et de réception, la génération de fréquence issue de l'oscillateur local va permettre la transposition du signal modulé autour de la porteuse vers une fréquence intermédiaire ou vers le signal en bande de base (et inversement pour l'émetteur). La synthèse de fréquence est généralement assurée par une boucle à verrouillage de phase (PLL). L'objectif de ce travail de thèse consiste à réaliser une PLL fractionnaire intégrée en bande X (8 GHz-12 GHz) en technologie BiCMOS. Dans un premier temps, un démonstrateur de PLL à division entière intégrée est présenté, pour lequel nous décrirons les spécifications et les méthodes. Les différents éléments constitutifs de la PLL numérique sont présentés pour lesquels nous évaluerons les spécifications en bruit. Cette étude permet d'établir un bilan de performances mettant en avant l'enjeu des caractéristiques dynamiques et en bruit lors de la conception d'un oscillateur contrôlé en tension. L'étude et la conception de l'oscillateur contrôlé en tension constituent l'objet du second chapitre. Les principes fondamentaux de la conception d'un oscillateur en technologie monolithique sont présentés. La nécessité de simuler correctement les performances du circuit, et tout particulièrement le bruit de phase, est mise en avant. La conception de deux oscillateurs contrôlés en tension est présentée (une topologie parallèle et une topologie série). La méthodologie de conception met en avant la prépondérance du phénomène de conversion de la source de bruit en courant sur la jonction base-émetteur du transistor : l'optimisation du bruit de phase est basée sur la minimisation de cette conversion. Sur la base de l'identification et de la localisation de la source de bruit prépondérante responsable du bruit de phase, nous proposons une solution de polarisation hybride afin de diminuer le bruit de phase en court-circuitant la source de bruit en courant. Une conception d'oscillateur contrôlé en tension à 20 GHz est aussi entreprise sur un concept de topologie push-push permettant d'atteindre un niveau de bruit de phase définissant l'état de l'art pour cette technologie et cette fréquence d'oscillation. Enfin, dans le dernier chapitre, nous étudions la division fractionnaire et décrivons la mise en oeuvre de la PLL toute intégrée : les différents types de circuits de la division fractionnaire sont exposés, et une étude spécifique de la topologie mise en place est présentée. Le bruit de phase de l'ensemble est estimé, mettant en avant la contribution en bruit du filtre qui est particulièrement problématique en solution toute intégrée

Le développement des technologies BiCMOS Silicium/Germanium (SiGe) permet aujourd'hui l'intégration de systèmes radio-fréquences (RF) complets (RF+bande de base) sur une seule puce et à faible coût. Les transistors bipolaires de telles filières sont en effet capables d'atteindre des fréquences de transition de plusieurs dizaines de gigahertz, assurant ainsi la réalisation de fonctions du domaine RF telles que l'amplification, le mélange, la division de fréquence analogique et numérique, la comparaison phase/fréquence analogique et numérique, etc. De plus, la compatibilité de ces technologies avec les technologies CMOS existantes autorise la réalisation simultanée de systèmes de traitement du signal numériques (et/ou analogiques) complets dans la bande de base. Le point faible de ces technologies reste cependant la difficulté d'obtenir des composants passifs de bonne qualité. Un challenge apparaît lorsqu'il s'agit de reconsidérer la conception des architectures existantes afin de se satisfaire de ces composants intégrés passifs peu performants, voire de s'en passer complètement. Une solution consiste alors à numériser au maximum les diverses fonctions précédemment citées. Le travail de thèse porte sur l'étude de faisabilité de la synthèse de fréquence en bande X et K, entièrement intégrée en technologie SiGe et basée sur la boucle à verrouillage de phase. On s'intéresse plus particulièrement à la numérisation des diviseurs hyperfréquences et des comparateurs phase/fréquence utilisés dans la boucle, le VCO restant par ailleurs analogique. Des solutions de conception innovantes sont proposées en terme de montée en fréquence et de réduction des phénomènes parasites inhérents aux structures habituellement rencontrées à plus basse fréquence. La thèse se conclut par l'intégration des diviseurs et comparateurs conçus dans cette thèse avec des VCOs conçus lors d'une thèse déjà soutenue afin de former des synthèses de fréquence à 10 et 20 GHz.

Ce mémoire de thèse s'intéresse aux problèmes posés par l'intégration dans les technologies silicium des synthétiseurs de fréquence dans la gamme 1-5 GHz. Il est montré que l'intégration des architectures classiques n'est pas envisageable car la consommation excessive et le bruit de phase obtenus sont incompatibles avec les spécifications des applications radiofréquences modernes. Dans ce mémoire, un oscillateur original capable de se verrouiller sur l'harmonique d'un signal d'entrée basse fréquence appelé Oscillateur Synchrone (OS) est présenté. Une étude théorique permettant de prévoir la plage de synchronisation de l'OS est proposée rendant ainsi possible une conception optimisée. D'autre part elle confirme les propriétés attendues des OS, en particulier la recopie du bruit de phase du signal de synchronisation, au facteur de multiplication près. Deux prototypes d'OS, intégrés dans une technologie BiCMOS 0,8 μm, sont décrits. Le premier oscille aux alentours de 2,4 GHz et est synchronisé par un signal de fréquence voisine de 400 MHz.. Sa plage de synchronisation de 12 MHz . Le deuxième prototype est une version optimisée, à partir de la théorie développée, oscillant aux alentours de 2 GHz. Il est synchronisé par un signal de fréquence voisine de 330 MHz. Sa plage de synchronisation est de 112 MHz environ permettant de couvrir la plage de réception ou d'émission de l'application UMTS2000. Ces deux prototypes confirment les avantages de l'OS dans une architecture de synthétiseur à boucle double par le report des contraintes de bruit de phase sur la boucle basse fréquence et par sa consommation bien moins élevée qu'une boucle à verrouillage de phase fonctionnant à la même fréquence. Un dernier prototype implanté dans la technologie CMOS 0,25 μm de STMicroelectronics est ensuite décrit. Cet OS oscille à 5,2 GHz et présente une plage de synchronisation de 160 MHz lorsqu'un signal à 900 MHz est appliqué sur son entrée (6ème sous harmonique).

Low-frequency noise (LFN) is characterized using in-house measurement systems in a variety of SiGe HBT generations. As technology scales to improve the performance and integration level, a large low-frequency noise variation in small geometry SiGe HBTs is first observed in 90 GHz peak fT devices. The fundamental mechanism of this geometry dependent noise variation is thought to be the superposition of individual Lorentzian spectra due to the presence of G/R centers in the device. The observed noise variation is the result of a trap quantization effect, and is thus best described by number fluctuation theory rather than mobility fluctuation theory. This noise variation continues to be observed in 120 GHz and 210 GHz peak fT SiGe HBT BiCMOS technology. Interestingly, the noise variation in the 210 GHz technology generation shows anomalous scaling behavior below about 0.2-0.3um2 emitter geometry, where the noise variation rapidly decreases. Data shows that the collector current noise is no longer masked by the base current noise as it is in other technology generations, and becomes the dominant noise source in these tiny 210 GHz fT SiGe HBTs. The proton response of LFN in SiGe HBTs is also investigated in this thesis. The results show that the relative increase of LFN is minor in transistors with small emitter areas, but significant in transistors with large emitter areas after radiation. A noise degradation model is proposed to explain this observed geometry dependent LFN degradation. A 2-D LFN simulation is applied to SiGe HBTs for the first time in order to shed light on the physical mechanisms responsible for LFN. A spatial distribution of base current noise and collector current noise reveals the relevant importance of the physical locations of noise sources. The impact of LFN in SiGe HBTs on circuits is also examined. The impact of LFN variation on phase noise is demonstrated, showing VCOs with small geometry devices have relatively large phase noise variation across samples.

Frequency synthesizer is a key building block of fully-integrated wireless communication systems. Design of a frequency synthesizer requires the understanding of not only the circuit-level but also of the transceiver system-level considerations. This dissertation presents a full cycle of the synthesizer design procedure starting from the interpretation of standards to the testing and measurement results. A new methodology of interpreting communication standards into low level circuit specifications is developed to clarify how the requirements are calculated. A detailed procedure to determine important design variables is presented incorporating the fundamental theory and non-ideal effects such as phase noise and reference spurs. The design procedure can be easily adopted for different applications. A BiCMOS frequency synthesizer compliant for both wireless local area network (WLAN) 802.11a and 802.11b standards is presented as a design example. The two standards are carefully studied according to the proposed standard interpretation method. In order to satisfy stringent requirements due to the multi-standard architecture, an improved adaptive dual-loop phase-locked loop (PLL) architecture is proposed. The proposed improvements include a new loop filter topology with an active capacitance multiplier and a tunable dead zone circuit. These improvements are crucial for monolithic integration of the synthesizer with no off-chip components. The proposed architecture extends the operation limit of conventional integerN type synthesizers by providing better reference spur rejection and settling time performance while making it more suitable for monolithic integration. It opens a new possibility of using an integer-N architecture for various other communication standards, while maintaining the benefit of the integer-N architecture; an optimal performance in area and power consumption.

The objective of the research in this dissertation is to demonstrate the viability of using silicon-germanium (SiGe) bipolar/complementary metal-oxide semiconductor (BiCMOS) technologies in novel high-speed, high-performance wireless and wireline applications. These applications include self-healing integrated systems, W-Band phased array radar systems, and multi-gigabit wireline transceiver systems. The contributions from this research are summarized below: 1. Design of a wideband 8-18 GHz signal source with the best reported tuning range and die area combination for self-healing applications [95]. 2. Design of a robust, multi-band 8-10/ 16-20 GHz signal source with amplitude-locking for self-healing applications. A figure-of-merit (FoM) is proposed that combines tuning range and die area, and this work achieves the best FoM compared with state-of-the art [51]. 3. First ever reported on-die healing of image-rejection ratio of an 8-18 GHz mixer integrated with the multi-band test signal source [52], [96]. 4. Design of a 94 GHz differential Colpitts oscillator with 14% tuning range that spans 86-99 GHz for phased-array radar systems. 5. Identification of technology platform related bottlenecks in multi-gigabit wireline systems. A novel study of linearity of switching transistors in a current-mode logic (CML) gate. 6. A novel FoM that can be used to predict large-signal CML delay using small-signal Y-parameter techniques [97].

SiGe BiCMOS technology has many advantageous properties that, when leveraged, enable circuit design for extreme environments. This work will focus on designs targeted for space system avioinics platforms under the NASA ETDP program. The program specifications include operation under temperatures ranging from -180 C to +125 C and with radiation tolerance up to total ionizing dose of 100 krad with built-in single-event latch-up tolerance. To the author's knowledge, this work presents the first design and measurement of a wide temperature range enabled, radiation tolerant as built, RS-485 wireline transceiver in SiGe BiCMOS technology. This work also includes design and testing of a charge amplification channel front-end intended to act as the interface between a piezoelectric sensor and an ADC. An additional feature is the design and testing of a 50 Ohm output buffer utilized for testing of components in a lab setting.

The large unlicensed 3 GHz overlapping bandwidth that is available worldwide at 60 GHz has resulted in renewed interest in 60 GHz technology. This frequency band has made it attractive for short-range gigabit wireless communication. The power amplifier (PA) directly influences the performance and quality of this entire communication chain, as it is one of the final subsystems in the transmitter. Spectral efficient modulation schemes used at 60 GHz pose challenging requirements for the linearity of the PA. To improve the linearity, several external linearisation techniques currently exist, such as feedback, feedforward, envelope elimination and restoration, linear amplification with non-linear components and predistortion. This thesis is aimed at investigating and characterising the distortion components found in PAs at mm-wave frequencies and evaluating whether an adaptive predistortion (APD) linearisation technique is suitable to reduce these distortion components. After a thorough literature study and mathematical analysis, it was found that the third-order intermodulation distortion (IMD3) components were the most severe distortion components. Predistortion was identified as the most effective linearisation technique in terms of minimising these IMD3 components and was therefore proposed in this research. It does not introduce additional complexity and can easily be integrated with the PA. Furthermore, the approach is stable and has lower power consumption when compared to the aforementioned linearisation techniques. The proposed predistortion technique was developed compositely through this research by making it a function of the PA’s output power that was measured using a power detector. A comparator was used with the detected output power and the reference voltages to control the dynamic bias circuit of the variable gain amplifier. This provided control and flexibility on when to apply the predistortion to the PA and therefore allowing the linearity of the PA to be optimised. Three-stage non-linear and linear PAs were also designed at 60 GHz and implemented to compare the performance of the APD technique and form part of the hypothesis verification process. The 130 nm silicon-germanium (SiGe) bipolar and complementary metal oxide semiconductor (BiCMOS) technology from IBM was used for the simulation of the entire APD and PA design and for the fabrication of the prototype integrated circuits (ICs). This technology has the advantage of integrating the high performance, low power intensive SiGe heterojunction bipolar transistors (HBTs) with the CMOS technology. The SiGe HBTs have a high cut-off frequency ( > 200 GHz), which is ideal for mm-wave PA applications and the CMOS components were integrated in the control logic of the digital circuitry. The simulations and IC layout were accomplished with Cadence Virtuoso. The implemented IC occupies an area of 1.8 mm by 2.0 mm. The non-linear PA achieves a of 11.97 dBm and an of -10 dBm. With the APD technique applied, the linearity of the PA is significantly improved with an of -6 dBm and an optimum IMD3 reduction of 10 dB. Based on the findings and results of the applied APD technique, APD reduced intermodulation distortion (especially the IMD3) and is thus suitable to improve the linearity of PAs at mm-wave frequencies. To the knowledge of this author, no APD technique has been applied for PAs at 60 GHz, therefore the contribution of this research will assist future PA designers to characterise and optimise the reduction of the IMD3 components. This will result in improved linear output power from the PA and the use of complex modulation schemes at 60 GHz. ## Die groot ongelisensieerde oorvleuelde bandwydte van 3 GHz wat wêreldwyd by 60 GHz beskikbaar is, het hernude belangstelling in 60 GHz-tegnologie tot gevolg gehad. Hierdie frekwensieband het dit aantreklik gemaak vir kortafstand-gigabis draadlose kommunikasie. Aangesien die drywingsversterker een van die finale subsisteme in die seintoestel is, het dit ’n direkte invloed op die werkverrigting en kwaliteit van die hele kommunikasieketting. Spektraaldoeltreffende modulasieskemas wat by 60 GHz gebruik word, stel uitdagende vereistes vir die lineariteit van die drywingsversterker. Om die lineariteit te verbeter, is daar tans verskeie eksterne linearisasietegnieke beskikbaar, soos terugvoer, vooruitvoer, omhullende eliminasie en -restorasie, lineêre versterking met nie-lineêre komponente en predistorsie. Hierdie tesis het ten doel om die distorsiekomponente wat by millimetergolffrekwensies in drywingsversterkers gevind word, te ondersoek en te karakteriseer en om te bepaal of ’n aanpassende predistorsielinearisasietegniek geskik is om hierdie distorsiekomponente te verminder. Na ’n deeglike literatuurstudie en wiskundige analise is gevind dat die derde-orde-intermodulasiedistorsiekomponente (IMD3) die ergste distorsiekomponente was. Predistorsie is geïdentifiseer as die mees effektiewe linearisasietegniek om hierdie IMD3-komponente te minimeer en die gebruik daarvan is gevolglik in hierdie navorsing voorgestel. Dit bring nie addisionele kompleksiteit mee nie en kan maklik met die drywingsversterker geïntegreer word. Daarbenewens is die benadering stabiel, met laer kragverbruik in vergelyking met die linearisasietegnieke wat voorheen genoem is. Die voorgestelde predistorsietegniek is in hierdie navorsing ontwikkel deur dit ’n funksie van die drywingsversterker se uitsetkrag te maak, wat gemeet is deur ’n kragdetektor te gebruik. ’n Vergelyker is saam met die gemete uitsetkrag en die verwysingspannings gebruik om die dinamiese voorspanningsbaan van die veranderlike winsversterker te beheer. Dit het toegelaat vir beheer en buigsaamheid in die aanwending van die predistorsie op die drywingsversterker en gevolglik vir die optimering van die lineêriteit van die drywingsversterker. Driefase- nie-lineêre en lineêre drywingsversterkers is ook by 60 GHz ontwerp en geïmplementeer om die werkverrigting van die aanpassende predistorsietegniek te vergelyk en dit vorm deel van die verifikasieproses van die hipotese. Die 130 nm-silikon-germanium (SiGe) bipolêre en metaaloksiedhalfgeleier- (BiCMOS) tegnologie van IBM is gebruik vir die simulasie van die hele aanpassende predistorsietegniek- en drywingsversterkerontwerp en vir die vervaardiging van die prototipe- geïntegreerde stroombane. Hierdie tegnologie het die voordeel dat dit die hoë werkverrigting en lae krag-intensiewe SiGe-heterovoegvlak-bipolêre transistors (HBTs) met die CMOS-tegnologie integreer. Die SiGe-HBTs het ’n hoë afsnyfrekwensie ( > 200 GHz), wat ideaal is vir mm-golfdrywingsversterkeraanwendings en die CMOS-komponente is in die beheer-logika van die digitale stroombaan geïntegreer. Die geïntegreerde stroombaan beslaan ’n area van 1.8 mm by 2.0 mm. Die nie-lineêre drywingsversterker behaal ’n van 11.97 dBm en ’n van -10 dBm. As die APD-tegniek toegepas word, word die lineariteit van die drywingsversterker beduidend verbeter tot ’n van -6 dBm en ’n optimum-IMD3-vermindering van 10 dB. Volgens die bevindings en resultate van die APD-tegniek wat toegepas is, verminder APD intermodulasiedistorsie (veral die IMD3) en is gevolglik geskik om die lineariteit van drywingsversterkers by mm-golffrekwensies te verbeter. Na die wete van hierdie skrywer is daar nie voorheen enige APD tegniek toegepas vir drywingsversterkers by 60 GHz nie, gevolglik sal die bydrae van hierdie navorsing toekomstige drywingsversterkerontwerpers help om die vermindering van die IMD3-komponente te karakteriseer en optimeer. Dit sal verbeterde lineêre uitsetkrag van die drywingsversterker tot gevolg hê, asook meer komplekse modulasieskemas by 60 GHz toelaat. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2014. / lk2014 / Electrical, Electronic and Computer Engineering / PhD / unrestricted

High-speed digital to analogue converters (DAC), which are optimised for large bandwidth signal synthesis applications, are a fundamental building block and enabling technology in industrial instrumentation, military, communication and medical applications. The spurious free dynamic range (SFDR) is a key specification of high-speed DACs, as unwanted spurious signals generated by the DAC degrades the performance and effectiveness of wideband systems. The focus of this work is to enhance the SFDR performance of high-speed DACs. As bandwidth requirements increase, meeting the desired SFDR performance is further complicated by the increase in dynamic non-linearity. The most widely used architecture in high-speed applications is the current-steering DAC fabricated on CMOS technology. The current source finite output impedance, switch distortion and clock feedthrough are the greatest contributors to dynamic non-linearity and are difficult to improve with the use of MOS devices alone. This research proposes the use of BiCMOS technology that offers high performance, using heterojunction bipolar transistors (HBT) that, when combined with MOS devices, are able to improve on the linearity of the current-steering DAC and hence improve the SFDR. A design methodology is introduced based on BiCMOS fabrication technology to improve SFDR performance and places emphasis on the constraints of modern fabrication processes. A six-bit current-steering application-specific integrated circuit DAC is designed based on the proposed design methodology, which optimises the SFDR performance of high-speed binary weighted architectures by lowering current switch distortion and reducing the clock feedthrough effect to verify the hypothesis experimentally. A novel current source cell is implemented that comprises HBT current switches, negative channel metal-oxide semiconductor (NMOS) cascode and NMOS current source to overcome distortion by specifically enhancing the SFDR for high-speed DACs. A switch driver and low-voltage differential signalling receiver to achieve high-speed DAC performance and their influence on the SFDR performance are designed and discussed. The DAC is implemented using the International Business Machines Corporation (IBM) 8HP silicon germanium (SiGe) BiCMOS 130 nm technology. The DAC achieves a better than 21.96 dBc SFDR across the Nyquist band for a sampling rate of 500 MS/s with a core size of 0.1 mm2 and dissipates just 4 mW compared to other BiCMOS DACs that achieve similar SFDR performance with higher output voltages, resulting in much larger power dissipation. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2015. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / MEng / Unrestricted

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