Conception de récepteurs hétérodynes Sub-THz en technologie CMOS 65 nm

Design of Sub-THz heterodyne receivers in 65 nm CMOS process

• Auteur / Autrice : José Moron Guerra
• Direction : Jean-François Lampin, François Danneville, Alexandre Siligaris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 09/07/2014
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mélangeurs hyperfréquences

MOS complémentaires

Oscillateurs à microondes

Imagerie microonde

Ondes millimétriques

Rayonnement terahertz

Mots clés libres

Récepteurs hétérodynes

Oscillateurs verrouillés

Conception au-delà des fréquences de coupure

Résumé

Le but de cette thèse est d'explorer les opportunités de design au-delà des fréquences millimétriques en se rapprochant le plus possible de la bande THz en technologie CMOS. L’application spécifique est la détection hétérodyne pour l'imagerie THz. Sachant qu’on vise des fréquences autour de 280 GHz et on travaille avec la technologie CMOS 65 nm, les composant réalisés fonctionnent 80 GHz au-dessus de la fréquence de coupure fmax des transistors utilisés. En termes de réalisation on a développé deux oscillateurs à verrouillage par injection sous-harmonique fonctionnant autour de 280 GHz. La fréquence d’injection de chaque oscillateur est d’environ 47 GHz (1/6 de la fréquence de sortie). Afin de produire des oscillations au-delà de fmax, des techniques de génération harmonique ont été utilisées (push-push, triple-push, etc). Les oscillateurs génèrent des signaux de – 19 et – 14 dBm de puissance à 280 GHz. Chaque composant a été utilisé comme oscillateur local pour des récepteurs hétérodynes fonctionnant à la même fréquence. Ces récepteurs n’ont pas de LNA au début de la chaîne à cause des faibles fréquences de coure néanmoins ils utilisent des mélangeurs passifs afin de pouvoir multiplier des signaux au-delà des limites. Les deux récepteurs développés ont un gain de conversion de – 6 dB et ont des figures de bruit (NF) de 36 et 30 dB. La version la plus performante du récepteur (30 dB de NF) a été intégrée avec une antenne développée par le Labsticc afin de pouvoir réaliser des images Sub-THz avec la détection hétérodyne.

The main goal of this thesis is to explore design opportunities beyond the millimeter wave frequencies and to get as close as possible to the THz band using CMOS technologies. The main application is the heterodyne detection for THz imaging. The cut-off frequencies ft/fmax of the used process (65 nm CMOS) are 150/205 GHz, the chosen operation frequency of the developed systems is 280 GHz which means that the circuits developed during this thesis operate at least 80 GHz beyond their fmax cut-off frequency. Two 280 GHz sub-harmonic injection locked oscillators were developed, the injection frequency corresponds to one sixth of the ouput frequency. In order to generate oscillations beyond fmax, harmonic boost techniques are used such as the push-push and triple push techniques. The output power of the oscillators are - 19 and - 14 dBm at 280 GHz. Both components were used as local oscillators for two heterodyne receivers operating around the same frequency. In order to down-covert the Sub-THz signal, a passive resistive mixer is used; this kind of circuit allows mixing beyond the active transistor limits. Also there is no LNA at the begining of the Rx chain since the cut-off frequencies are very low and there will be no gain for amplification at 280 GHz. The conversion gain of both receivers is - 6 dB however the NF's are 36 dB and 30 dB. The best receiver (30 dB) is co-integrated with an antenna (developed by Labsticc) using the same process allowing heterodyne detection THz imaging.