Study and analysis of Gilbert cell-based mixers operating above fMAX/2

Abstract

As data rates used in wireless communications continue to rise, reaching for wider bandwidths is an obvious solution. Exploration of the electromagnetic spectrum at ever higher frequencies, such as the sub-THz range, provides opportunities as well as challenges, since while much of this range is relatively unused, the technologies able to utilize it are limited.

This work compares and analyzes different Gilbert cell-based mixer structures utilizing heterojunction bipolar transistors at frequencies above half of their maximum oscillation frequency, fMAX. A downconversion mixer converts an input signal of 300 GHz to an intermediate frequency of 100 GHz with the use of a 200 GHz local oscillator signal. Physical layouts were designed on a SiGe BiCMOS based semiconductor process offered by IHP.

Since the transistor’s ability to provide amplification degrades as frequency is increased, different mixer topologies are compared to see whether having a gain stage before the frequency mixing operation is necessary. Another major part of the design process was the use of transformers between different stages, like the mixer and a buffer. In addition to AC-coupling, transformers are able provide a wide bandwidth which is a key part of going to higher frequencies.

Three layout versions were designed and compared in total. A structure including the amplifying stage proved to be the best design, having a peak conversion gain of 4.3 dB and bandwidth of 40.5 GHz. Linearity measured as input compression point was -4.1 dBm, while noise figure was 22 dB. Optimal switching operation required 8 dBm of local oscillator power and total DC power consumption including the buffer stage was 78 mW.

Finally, in a separate part of the work, two transformers were designed to be placed in a circuit with two baluns at the input and output. This simple layout is finally meant to be fabricated, so certain steps in the design process are required for a successful tape-out.

Langattomassa viestinnässä käytettävien tiedonsiirtonopeuksien jatkaessa kasvuaan laajempien kaistanleveyksien tavoittelu on ilmeinen ratkaisu. Tutkimus entistä korkeammilla sähkömagneettisen spektrin taajuuksilla, kuten satojen gigahertzien alueella, tarjoaa mahdollisuuksia sekä haasteita, sillä vaikka suuri osa tästä alueesta on suhteellisen käyttämätöntä, siihen kykeneviä teknologioita on vain rajallinen määrä.

Tässä työssä vertaillaan ja analysoidaan erilaisia Gilbert-soluun perustuvia taajuussekoitinrakenteita, joissa käytetään heteroliitosbipolaaritransistoreja taajuuksilla, jotka ovat puolet niiden maksimioskillaatiotaajuudesta, fMAX:ista. Alaspäin muuntava taajuussekoitin muuntaa 300 GHz:n tulosignaalin 100 GHz:n välitaajuudelle käyttäen 200 GHz:n paikallisoskillaattorisignaalia. Piirikuvio suunniteltiin pii germanium BiCMOS -pohjaisella puolijohdeprosessilla, jonka tarjoaa IHP.

Koska transistorin kyky antaa vahvistusta heikkenee taajuuden noustessa, erilaisia sekoitintopologioita vertaillaan nähdäksemme, onko vahvistusosa ennen taajuussekoitusta tarpeellinen. Toisen merkittävän osan suunnitteluprosessista muodostaa muuntajien käyttö eri asteiden, kuten taajuussekoittimen ja puskurin välissä. AC-kytkennän lisäksi muuntajat pystyvät tarjoamaan laajan kaistanleveyden, mikä on avainasemassa siirryttäessä korkeampiin taajuuksiin.

Yhteensä kolme erilaista versiota suunniteltiin ja lopulta vertailtiin keskenään. Vahvistusosan sisältävä rakenne osoittautui parhaaksi versioksi. Sen vahvistus oli 4,3 dB ja kaistanleveys 40,5 GHz. Vahvistus alkoi saturoitumaan, kun tulon teho oli -4,1 dBm, kun taas kohinaluku oli 22 dB. Optimaalinen taajuussekoitus vaati 8 dBm paikallisoskillaattorin tehoa, ja kokonaistasavirrankulutus puskurivaihe mukaan lukien oli yhteensä 78 mW.

Lopuksi työn erillisessä osassa suunniteltiin piirikuvio muuntajasta, joka sijoitettiin kahden balunin väliin. Tämä yksinkertainen piiri on lopulta tarkoitettu valmistettavaksi, joten tiettyjä vaiheita suunnitteluprosessissa vaaditaan onnistuneen valmistumisen varmistamiseksi.