Springer.2012 - RF-Frontend Design for Process-Variation-Tolerant Receivers

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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 System-Level Design for Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Bit Error Rate, Noise, Gain, and Nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Block-Level Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 General Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Special Case: Zero-IF Receiver and Worst-Case
Nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Sensitivity to Block-Level Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1 General Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 Special Case: Zero-IF Receiver and Worst-Case
Nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Design for Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1 Constant-Sensitivity Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 Reduced-Second-Order-Sensitivity Approach. . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.3 Optimum-Power Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.1 Receiver Without ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 Receiver with ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Layout and Measurements at 60 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Layout Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 Impact of Parasitics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 Electromagnetic Simulation of Complex Structures . . . . . . . . . 42
3.1.3 Substrate Losses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.4 Cross-Talk Shielding and Grounding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
v
3.2 Measurement Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.1 Calibration and s-Parameter Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.2 Noise Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.3 Nonlinearity Measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.4 Phase Noise Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Component Design at 60 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1 Low Noise Amplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1 Topology Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.2 Stability and Noise Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.3 Circuit Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.4 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.1 Topology Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Gain and Noise Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.3 Third Order Nonlinearity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.4 Second Order Nonlinearity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.5 Circuit Design and Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.6 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3 Quadrature VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.1 Quadrature Signal Generation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.2 Tuning Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.3 Phase Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.4 Circuit Design and Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.5 Measurement and Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4 Miller-Effect-Based VCO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4.1 Tuning Using Miller Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.5 Measurement and Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5 Smart-Component Design at 60 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.1 Wideband IP2 Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.1.1 IMD2 Cancellation Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.1.2 3D Tuning for Wideband IMD2 Cancellation. . . . . . . . . . . . . . 131
5.1.3 Circuit Design and Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.1.4 Tuning Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.1.5 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.1.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.2 Adjustment of Process Variation Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.1 Tunability in Different LNA Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.2 Tunability in Other Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2.3 Overall Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2.4 Correcting the Corner Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.2.5 Layout Impact Approximated. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
vi Contents
6 Conclusions and Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.2 Recommendations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Appendix A: Optimizing Total Power Consumption
by Defining Total Noise and Total Nonlinearity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

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