1 Introduction to mm-Wave Silicon Devices, Circuits, and Systems . . . . 1
Ali M. Niknejad and Hossein Hashemi
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Whymm-Waves? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The Birth of Silicon mm-Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Why CMOS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 True Cost of Silicon mm-Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Communication in the 60 GHz Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 BeamForming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Uniquemm-WaveApplications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.1 mm-Wave Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.2 Automotive Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.3 mm-Wave Imaging forMedicalApplications. . . . . . . . . . . 22
1.5.4 Collaborative DistributedMIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6 Overview of Book. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2 Silicon Technologies to Address mm-Wave Solutions . . . . . . . . . . . . . . 25
Andreia Cathelin and John J. Pekarik
2.1 Why Silicon? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.2 Cost, Integration [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.3 ManufacturingCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Modern SiGe and CMOS Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1 Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 Low-K Dielectrics and CopperWiring . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.3 Mobility and Strain Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Metal Gates &High-K Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Active Devices on Recent Bulk and SOI Technologies. . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Bipolar Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 CMOS devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
xi
xii Contents
2.3.3 SOI CMOS devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 Current Density Scaling for CMOS and Bipolar Devices . 46
2.3.5 Comparison Between State-of-the-Art HBT and CMOS
Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4 Impact of the Back-End of Line onmm-WaveDesign . . . . . . . . . . . 49
2.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6 Acknowledgements: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3 Design and Modeling of Active and Passive Devices . . . . . . . . . . . . . . . 59
Ali M. Niknejad, Sohrab Emami, Chinh Doan, Babak Heydari, Mounir
Bohsali
3.1 Passive Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1 Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.2 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1.3 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.4 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.5 Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2 Active Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.1 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.2 Active Device Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2.3 Small-SignalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.4 Large-SignalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.5 FET NoiseModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4 Amplifiers and Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Ali M. Niknejad, Brian A. Floyd, Sohrab Emami, Babak Heydari, Ehsan
Adabi, Bagher Afshar
4.1 60GHz Low-NoiseAmplifiers:What’s Different? . . . . . . . . . . . . . . 109
4.1.1 Transistors Closer to Cutoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.1.2 SmallWavelengths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.3 Parasitics at 60 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2 Low-NoiseAmplifier Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2.1 Input Match Optimization for Noise and Power . . . . . . . . 112
4.2.2 Transistor Noise Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.3 Common-Base vs. Common-Emitter . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3 Low-NoiseAmplifier Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.1 Bipolar LNA (v1), Common-Base Input . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.2 Bipolar LNA (v2), Common-Emitter Input . . . . . . . . . . . . 121
4.3.3 CMOS Common SourceAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.4 CMOS CommonGateAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.3.5 Differential PairAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3.6 Multi-Stage Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.7 ATwo-Stage 30 GHzAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Contents xiii
4.4 Mixers and FrequencyTranslation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.4.1 Single TransistorMixers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.4.2 Dual GateMixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.4.3 Gilbert CellMixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.5 Examples of Integrated Front-Ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.5.1 CMOS 130nm 60 GHz Front-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.5.2 SiGe Transceiver Chipset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5 Voltage-Controlled Oscillators and Frequency Dividers . . . . . . . . . . . . 159
Jri Lee
5.1 Considerations ofVCOs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.2 Cross-Coupled Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.3 Colpitts Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.4 Other Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.4.1 mm-Wave Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.4.2 Push-Push Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.4.3 Distributed Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.5 Considerations ofDividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.6 Static Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.7 Regenerative (Miller) Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.8 Injection-LockedDividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.9 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.9.1 52-GHz LO Signal Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.9.2 60-GHz PLL in 0.15-μmGaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
5.9.3 A 75-GHz PLL in 90-nmCMOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6 PowerAmplifiers at 60GHz and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Ehsan Afshari and Abbas Komijani
6.1 Motivation and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.2 Passive Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.2.1 Substrate-Shielded CoplanarWaveguide Structure . . . . . . 202
6.2.2 Characterization of the Substrate-Shielded CPW
Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.2.3 Conductor-Backed Coplanar Waveguide as the
Transmission Line Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.2.4 Wirebond and Pad Parasitic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.3 Power Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.3.1 Single-Transistor Power Gain and Stability . . . . . . . . . . . . 210
6.3.2 Stability of the Cascode Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.3.3 Relationship of BreakdownVoltage and Cut-off
Frequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.4 Power Combining Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.4.1 Basic Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
xiv Contents
6.4.2 DistributedActive Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.4.3 Electrical Funnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.4.4 Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
6.5 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.5.1 A 77GHz Amplifier for Automotive RADAR
Application. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.5.2 A BroadbandAmplifier at 85GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
7 Integrated Beamforming Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Harish Krishnaswamy and Hossein Hashemi
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.2 What is a PhasedArray? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.2.1 Case Study:A 60GHzWPAN Link Budget . . . . . . . . . . . . 248
7.3 PhasedArrays versus TimedArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.4 Conventional PhasedArrayArchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.4.1 RF Phase-shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
7.4.2 LO Phase-shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.4.3 DigitalArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
7.4.4 ComparativeView of the Conventional Architectures . . . . 269
7.5 TheVPRO-PLL PhasedArrayArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.5.1 VPRO Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.5.2 TransmitMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.5.3 Receive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.6 The Effect ofMismatch in PhasedArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.6.1 Beam-pointing Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.6.2 Sidelobe Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.6.3 Implications onArray Packaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.6.4 Array Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
7.7 Quantization Error in PhasedArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
7.8 Multi-Beam Antenna Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7.9 Antenna Arrays and Multiple Input Multiple Output (MIMO)
Transceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
7.10 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
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