Details

Abstrakt in Englisch

The presented work describes the analysis and the design of integrated high-frequency circuits for wireless data transmission in the millimeter-wave range. With the goal of minimizing the required energy per transferred bit, the individual components are concurrently optimzed for high bandwidth and low DC power consumption. A 130-nm BiCMOS process and a 28-nm CMOS process are used as semiconductor technologies. Both technologies are presented and compared in terms of their suitability for high-frequency applications. This includes the availability of sufficiently fast active components as well as the possibility of realizing high-quality passive components. Especially for the 28-nm technology, already at device level an optimziation for the millimeter-wave range is executed. This includes the development of an improved transistor layout and optimized structures for transmission lines and capacitors. In order to distribute the supply voltages on chip, the concept of using transmission lines with low characteristic impedance is presented, which combines excellent electrical properties with simple modeling.

For carrier frequencies around 60 GHz, a low-noise amplifier and two power amplifiers are designed in the 28-nm CMOS technology. To maximize the bandwidth, two-stage matching networks and a structured method of chosing of the optimum load impedance are used. In the 130-nm BiCMOS technology, furhermore a low-noise amplifier, a down-conversion mixer and a voltage-controlled oscillator for carrier frequencies around 200 GHz as well as a baseband amplifier and a travelling-wave amplifier are analyzed, implemented and characterized. The results of theoretical investigations, simulations and measurements agree very well and therefore confirm the suitability of the chosen design process and also highlight the accuracy of the used models of all developed active and passive devices.

Based on these circuit blocks, a 190-GHz transceiver system for wireless chip-to-chip communication in high-performance computers is developed. Important circuit requirements are derived from power and bandwidth considerations of the overall system. The designed transmitter and receiver circuits are first characterized individually and then combined for a transmission test with monopole antennas, which are mounted on the chips with wire-bonding technology. With the resulting wireless link, a 6-dB radio-frequency bandwidth of 40 GHz as well as data rates of up to 40 Gbit/s and 50 Gbit/s are demonstrated for distances of 20 mm and 6 mm, respectively. At a DC power consumption of 154 mW, this leads to a energy per transferred bit of only 3.1 pJ for the 50-Gbit/s case. In comparison with the state-of-the-art of wireless links with on-chip antennas, this is by far the lowest value to date. At the same time, both the transmission bandwidth and the symbol rate represent the highest published values.

Abstrakt in Deutsch

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Analyse und den Entwurf von integrierten Hochfrequenzschaltungen für die drahtlose Datenübertragung im Millimeterwellenbereich. Mit dem Ziel die benötigte Energie pro übertragenem Bit zu minimieren, werden die einzelnen Komponenten gleichzeitig für eine möglichst hohe Bandbreite und geringe DC-Leistungsaufnahme optimiert. Als Halbleitertechnologien kommen dabei ein 130-nm- BiCMOS-Prozess und ein 28-nm-CMOS-Prozess zum Einsatz. Beide Technologien werden vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für Hochfrequenzanwendungen verglichen. Dies betrifft sowohl die Verfügbarkeit ausreichend schneller aktiver Bauelemente als auch die Möglichkeit passive Bauelemente mit hoher Güte realisieren zu können. Insbesondere in der 28-nm-Technologie wird bereits auf Bauelementebene eine Optimierung für den Millimeterwellenbereich vorgenommen. Dazu gehören die Entwicklung eines verbesserten Transistorlayouts und optimierte Strukturen für Leitungen und Kondensatoren. Zur Verteilung der Versorgungsspannungen auf dem Chip wird das Konzept der Verwendung von Leitungen mit geringem Wellenwiderstand vorgestellt, welches hervorragende elektrische Eigenschaften mit einer einfachen Modellierbarkeit kombiniert.

Für Trägerfrequenzen um 60 GHz werden in der 28-nm-CMOS-Technologie ein rauscharmer Verstärker und zwei Leistungsverstärker entworfen. Zur Maximierung der Bandbreite werden dabei zweistufige Anpassnetzwerke und eine strukturierte Vorgehensweise bei der Wahl der optimalen Lastimpedanzen verwendet. Darüber hinaus werden in der 130-nm-BiCMOS-Technologie ein rauscharmer Verstärker, ein Abwärtsmischer sowie ein spannungsgesteuerter Oszillator für Trägerfrequenzen um 200 GHz und außerdem ein Ba- sisbandverstärker und ein Wanderwellenverstärker analysiert, implementiert und charakterisiert. Die sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse von theoretischen Untersuchungen, Simulationen und Messungen bestätigt die Eignung des gewählten Entwurfsprozesses und verdeutlicht die hohe Genauigkeit der verwendeten Modelle aller entwickelten aktiven und passiven Bauelemente.

Auf Basis dieser Schaltungsblöcke wird ein 190-GHz-Übertragungssystem für die drahtlose Chip-zu-Chip-Kommunikation in Hochleistungsrechnern entwickelt. Dabei werden wichtige Schaltungsanforderungen aus Leistungs- und Bandbreitenbetrachtungen des Gesamtsystems abgeleitet. Die entworfenen Sender- und Empfängerschaltkreise werden zunächst einzeln charakterisiert und anschließend für einen Übertragungstest mit Monopolantennen kombiniert, welche mittels Draht-Bonden auf die Chips aufgebracht werden. Für die resultierende drahtlose Übertragungsstrecke werden eine 6-dB-Bandbreite im Bandpassbereich von 40 GHz sowie Datenraten von 40 Gbit/s und 50 Gbit/s für Distanzen von 20 mm und 6 mm demonstriert. Bei einem DC-Leistungsverbrauch von 154 mW führt dies zu einer Energie pro übertragenem Bit von nur 3,1 pJ für den 50-Gbit/s-Fall. Im Vergleich mit dem Stand-der-Technik von Übertragungssystemen mit On-Chip-Antennen ist dies derzeit der mit Abstand geringste Wert. Gleichzeitig stellen sowohl die Übertragungsbandbreite als auch die Symbolrate die höchsten publizierten Werte dar.