Design and modeling of mm-wave integrated transformers in CMOS and BiCMOS technologies

par Bernardo Leite

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Eric Kerhervé et de Jean-Baptiste Begueret.

Le jury était composé de Philippe Duême, Frédéric Gianesello, Serge Verdeyme.

Les rapporteurs étaient Philippe Ferrari, Éric Rius.

  • Titre traduit

    Conception et modélisation de transformateurs intégrés millimétriques en technologies CMOS et BiCMOS


  • Résumé

    Les systèmes de communication sans fil en fréquences millimétriques ont gagné considérablement en importance au cours des dernières années. Des applications comme les réseaux WLAN et WPAN à 60 GHz, le radar automobile autour de 80 GHz ou l’imagerie à 94 GHz sont apparues, demandant un effort conséquent pour la conception des circuits intégrés émetteurs et récepteurs sur silicium. Dans ce contexte, les transformateurs intégrés sont particulièrement intéressants. Ils peuvent réaliser des fonctions comme l’adaptation d’impédance, la conversion du mode asymétrique au différentiel et la combinaison de puissance. La conception et la modélisation de ce type de transformateur font le sujet de cette thèse. Une étude détaillée des topologies de transformateurs est présentée, concernant le dessin des inductances, leur position relative, leurs dimensions géométriques, le blindage du substrat et l’obtention de rapports importants de transformation. Leur modélisation par des simulations électromagnétiques et par un circuit électrique à éléments discrets est également discutée. Le modèle présente une topologie 2-π et une série d’équations analytiques dépendant de ses caractéristiques technologiques et géométriques pour évaluer tous ses composants. Un très bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour des transformateurs en technologies CMOS 65 nm et BiCMOS 130 nm jusqu’à 110 GHz. Finalement, les transformateurs sont appliqués à la conception d’un mélangeur BiCMOS à 77 GHz et un amplificateur de puissance CMOS à 60 GHz.


  • Résumé

    Millimeter-wave wireless communication systems have considerably gained in importance in recent years. Important applications as 60-GHz WLANs and WPANs, 80- GHz automotive radar, and 94 GHz imaging have emerged, requiring significant effort on the design of transceiver’s silicon-based integrated circuits. In this context, integrated transformers are of a particular interest. They may perform, among other functions, impedance matching, single to differential conversion, and power combination. The design and modeling of this type of transformers is the subject of this thesis. A comprehensive study on the topology of transformers is presented, regarding the layout of individual coils, their relative position, geometric dimensions, substrate shields, and the achievement of high transformation ratios. Their modeling through electromagnetic simulations and a lumped-element electric circuit is discussed as well. The model presents a 2-π topology and analytical equations depending on both technological and geometric characteristics to evaluate the totality of its components. A close agreement between model and measurement is shown for 65-nm CMOS and 130-nm BiCMOS transformers up to 110 GHz. Those transformers are then applied to the design of a 77-GHz BiCMOS mixer and a 60-GHz CMOS power amplifier.


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