Neste trabalho foi feita uma ampla pesquisa sobre blocos de RF, VCOs e LNAs, que fazem parte de transceptores. Esses blocos foram projetados utilizando um indutor externo com um alto Q, com o intuito de melhorar as principais características de desempenho de cada um dos blocos. Com a finalidade de ter um ponto de comparação foram projetados os mesmos blocos implementando todos os indutores integrados (internos). Foi proposta a utilização da tecnologia flip chip para interconectar os indutores externos aos dies dos circuitos, devido às vantagens que ela apresenta. Para implementar os indutores externos propôs-se um processo de fabricação completo, incluindo especificação das etapas de processos e dos materiais utilizados para estes indutores. Adicionalmente foi projetado um conjunto de máscaras para fabricar os indutores externos e fazer a montagem e teste dos circuitos que os utilizam. Para validar o processo proposto e caracterizar os indutores externos foram projetadas diferentes estruturas de teste. O Q do indutor externo é da ordem de 6 vezes maior que do indutor integrado, para a tecnologia escolhida. Foram projetados e fabricados dois VCOs LC: FC-VCO (Flip Chip VCO com o indutor externo), OC-VCO (On Chip VCO com o indutor interno), e dois LNAs CMOS de fonte comum cascode com degeneração indutiva: FC-LNA (Flip Chip LNA com o indutor Lg externo) e OC-LNA (On Chip LNA com todos os indutores internos). O objetivo desses quatro circuitos é demonstrar que o desempenho de circuitos RF pode ser melhorado, usando indutores externos com alto Q, conectados através de flip chip. Para implementação desses circuitos utilizou-se a tecnologia de processo AMS 0,35µm CMOS, para aplicações na banda 2,4GHz ISM, considerando o padrão Bluetooth. Foram medidos apenas os blocos com os indutores internos (OC-VCO e OC-LNA). Para os blocos com os indutores externos (FC-VCO e FC-LNA) foram apresentados os resultados de simulação pós-layout. Através da comparação dos resultados de simulação entre os VCOs foi comprovado que o uso de um indutor externo com alto Q conectado via flip chip pode melhorar significativamente o ruído de fase dos VCOs, atingindo -117dBc/Hz a 1MHz de frequência de offset para o FC-VCO, em 2,45GHz, onde a FOM é 8dB maior que o OC-VCO. Outro ganho foi através da área poupada, o FC-VCO tem uma área cerca de 83% menor que a do OC-VCO. Após as medidas elétricas do OC-VCO obteve-se um desempenho do ruído de fase de -110dBc/Hz@1MHz para 2,45GHz, e -112dBc/Hz@1MHz para 2,4GHz, o qual atende as especificações de projeto. O FC-LNA, que foi implementado com o indutor de porta Lg externo ao die, conectado via flip chip, atingiu uma figura de ruído de 2,39dB, 1,1dB menor que o OC-LNA com o mesmo consumo de potência. A área ocupada pelo FC-LNA é aproximadamente 30% menor do que o OC-LNA. Através das medidas elétricas do OC-LNA verificou-se que o circuito apresenta resultados adequados de S11 (perda de retorno da entrada) e S22 (perda de retorno da saída) na banda de frequências de interesse. No entanto, o valor do ganho apresenta uma redução em relação ao esperado. A proposta do trabalho de unir a tecnologia flip chip ao uso de indutores externos, proporciona circuitos mais compactos e consecutivamente mais baratos, pela economia de área de Si. Adicionalmente, após os indutores externos serem caracterizados, os mesmos indutores podem ser reutilizados independente da tecnologia CMOS utilizada facilitando o projeto dos blocos de RF em processos mais avançados. / This work presents a research about RF blocks that are used in Transceivers, VCOs and LNAs. These blocks were designed using a high-Q RF external inductor in order to improve the main performance characteristics. The same blocks were designed implementing all inductors on-chip (internal) in order to have a point of comparison. It was proposed the use of Flip Chip technology to interconnect the external inductors to the dies of the circuits due to the advantages that this technology offers. A full manufacturing process was proposed to implement the external inductors, including the specification of process steps and materials used for these inductors. Additionally, a set of masks was designed to fabricate the external inductors, to mount and test the circuits that used these inductors. Different test structures were designed to validate the proposed process and to characterize the external inductors. Q factor of the external inductor is around 6 times larger than the inductor integrated into the chosen IC technology. Two LC VCOs and two common-source cascode CMOS LNAs with inductive degeneration were designed and fabricated: FC-VCO (Flip Chip VCO using external inductor), OC-VCO (On Chip VCO using on-chip inductor), FCLNA (Flip Chip LNA using an external Lg inductor) and OC-LNA (On Chip LNA with all inductors implemented on-chip). The purpose of these four circuits is to demonstrate that the performance of RF circuits can be improved by using high-Q external inductors, connected by flip chip. The 0.35µm CMOS AMS technology was used to implement these circuits intended for applications in the 2.4 GHz ISM band, considering the Bluetooth standard. Were measured only the blocks with internal inductors (OC-VCO and OC-LNA). For the blocks with external inductors (FCVCO and FC-LNA) were presented the results of post-layout simulation. The comparison between the VCOs simulations results demonstrates that using an external high-Q inductor connected by flip chip can significantly improve the phase noise of VCOs. FC-VCO reached a phase noise of -117dBc/Hz at 1MHz offset frequency and a FOM 8dB greater than the OC-VCO. Another important improvement was the saved area, the FC-VCO has an area approximately 83% lower than that of OC-VCO. After electrical characterizations of the OC-VCO, phase noise performances of -110dBc/Hz@1MHz for 2.45GHz and -112dBc/Hz@1MHz for 2.4GHz were obtained, that accomplish the design specifications. FC-LNA reached a noise figure of 2.39dB, 1.1dB lower than that of OC-LNA with the same power comsumption. The total area occupied by FC-LNA is around 30% lower than that OC-LNA. Measurement results of the OC-LNA showed that the circuit presents suitable S11 (input return loss) and S22 (output return loss) values in the desired frequency band. However, the gain value presents a reduction compared with the expected values. The proposal to use the flip chip technology together with external inductors, allows more compact and cheap circuits, because Silicon area can be saved. Moreover, after the external inductors being characterized, the same inductors can be reused regardless of the CMOS technology facilitating the design of RF blocks in more advanced processes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-15072013-164829 |
| Date | 10 September 2012 |
| Creators | Anjos, Angélica dos |
| Contributors | Noije, Wilhelmus Adrianus Maria Van |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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