Microwave modeling and circuit design with sub-micron CMOS technologies

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1 Research Collection Doctoral Thesis Microwave modeling and circuit design with sub-micron CMOS technologies Author(s): Biber, Charlotte Elisabeth Publication Date: 1998 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss: ETH gx^jb Diss. ETH Nr Microwave Modeling and Circuit Design with Sub-micron CMOS Technologies A DISSERTATION submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of DOCTOR OF TECHNICAL SCIENCES presented by Charlotte Elisabeth Biber Master of Science in Electrical Engineering Massachusetts Institute of Technology born 11. September 1967 citizen of Zurich, Switzerland \\Bi accepted on the recommendation of /W -J IJ Prof. Dr. W. Bachtold, examiner Prof. Dr. H. Jackel, co-examiner *ft k./f\ yc?'l 1998

3 v Abstract In the past few years, CMOS technologies have attained the required speed for circuits at microwave frequencies. Previously, silicon bipolar technologies dominated the lower GHz frequency range. With sub-micron gate lengths, CMOS technology has entered this domain. A crucial prerequisite for the design of CMOS GHz circuits is the availability of suitable RF device models. The characterization of transistors and their parasitics at RF operating frequencies is essential to obtain accurate RF models. Especially the parasitics become important for noise characterization and modeling. In this thesis, a non-linear high frequency developed for frequencies up MOSFET model has been to 10 GHz. The model is based on S- parameter measurements at various bias points. By implementing the new MOSFET model in C-code in the PSpice simulator, has been increased while convergence problems simulation accuracy have been eliminated. The microwave frequency performance of the model has been investigated concerning bias dependence, intermodulation and circuit performance. The simulations and measurements show good agreement over a wide range of bias voltages. At a supply voltage of 2.7 V, RF transistors are usually operated in the saturation region with gate and drain bias voltages of a single transistor below 1.5 V. There the difference between measured and simulated S-parameters of the new model is less than 1 %. As shown with the third order IM simulations, the nonlinear behavior is also well modeled. The simulation speed is considerably improved over the previously developed subcircuit model such that simulations of large circuits are now possible. As presented in this work, these modifications significantly improve prediction of the high frequency performance of a simple amplifier over a standard BSIM1 NMOS model. Thus, a versatile model with less man 20 model parameters, good performance in all regions of operation and accurate RF performance is presented. Investigations on various telecommunication circuits should show that RF CMOS has the required performance in the lower GHz frequency range. Using submicron CMOS processes, various amplifiers and mixers have been designed and measured. In all these circuits, common mode feedback loops were used to stabilize the bias points. This form of bias point stabilization is absolutely necessary to avoid drifting of operating points due to process variations and to ensure proper circuit operation.

4 VI The new model developed in this work has accurately predicted the RF performance as well as the operating points of a broadband amplifier. These circuits prove mat operating frequencies of CMOS circuits have entered me lower GHz frequency range.

5 VH Zusammenfassung Mit der Reduktion der Gatelange des MOSFET hat die CMOS Technologie in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte in der Schaltgeschwindigkeit erzielt. Der Frequenzbereich um 1 GHz war bisher die Domane der Silizium-Bipolartransistoren. Fiir Bipolartransistoren sind Modelle, die die Schaltungssimulation bis in den Gigahertz-Bereich ermoglichen, schon langer etabliert. Die Modellentwicklung des MOSFET hat sich bisher hauptsachlich auf die genauere Modellierung der DC- und niederfrequenten Eigenschaften konzentriert. Um die neuen, schnelleren CMOS Technologien erfolgreich im Gigahertz-Bereich einsetzen zu konnen, miissen die HF-Modelle fiir den MOSFET verbessert werden. Fiir eine hohe Genauigkeit der Modelle im HF-Bereich ist die Charakterisierung der parasitaren Effekte, wie Substrat-Kapazitaten und -Verluste, besonders wichtig. Diese parasitaren Elemente haben auch einen grossen Einfluss bei der genauen Rauschmodellierung des MOSFET. In der vorliegenden Arbeit ist ein nichtlineares HF-Modell des MOSFET fur Frequenzen bis 10 GHz entwickelt worden. Es sttitzt sich auf Streuparameter-Messungen bei verschiedenen Arbeitspunkten. Das Modell wurde als C-Subroutine (device equation) in das Schaltungssimulationsprogramm Pspice eingebaut. Fiir die DC-Modellierung wurde ein Ansatz analog zum EKV-Modell verwendet. Gegeniiber einem Spice- Subcircuitmodell ergibt sich damit eine verbesserte Genauigkeit ohne numerische Konvergenzprobleme. Gleichzeitig vermindert sich die Rechenzeit, so dass auch grossere Schaltungen simuliert werden konnen. Zur Verifikation wurde das Modell mit S-Parametermessungen bei verschiedenen Arbeitspunkten und mit Intermodulationsmessungen verglichen. Im gesattigten Betrieb bei typischen Gate- und Drainspannungen unter 1.5 V betragt die Differenz zwischen simulierten und gemessenen S-Parametern weniger als 1 %. Die HF-Eigenschaften einer Verstarkerstufe konnen mit dem neuentwickelten Modell wesentlich besser simuliert werden als mit dem Standard-BSIMl-NMOS-Modell. Obwohl das neue Modell in alien Arbeitsbereichen sowohl DC- wie HF-Eigenschaften gut modelliert [Biber98], kommt es mit weniger als 20 Modellparametern aus. Die Untersuchung verschiedener Schaltungen fiir Telekommunikationsanwendungen sollte zeigen, dass die CMOS-Technik mit Erfolg im GHz- Bereich eingesetzt werden kann. Verschiedene Verstarker und Mischer

6 Vlll wurden mit sub-mikron-cmos-prozessen entwickelt und charakterisiert. In alien Schaltungen wurde der DC-Arbeitspunkt durch Gegenkopplung stabilisiert. Dies hat sich als besonders wichtig erwiesen, um die Prozessstreuungen auffangen zu konnen. Mit dem in dieser Arbeit vorgestellten neuen Modell konnten sowohl die HF-Eigenschaften als auch die DC-Arbeitspunkte eines Breitbandverstarkers exakt modelliert werden. Damit beweisen die entworfenen Schaltungen, dass die Arbeitsfrequenzen von CMOS-Schaltungen erfolgreich bis in den tieferen GHz-Bereich vorgedrungen sind.