LNA-ESD Co-Design for Fully Integrated CMOS Wireless Receivers.pdf
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Contents Abstract List of Symbols and Abbreviations 1 Introduction 1 1.1 The Growth of the Wireless Communication Market . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Evolution to CMOS RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 CMOS, RF and ESD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Outline of this Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Low-Noise Amplifiers in CMOS Wireless Receivers 9 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Some Important RF Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.1 Quality Factor of Reactive Elements and Series-Parallel Transformation . 9 2.2.2 SNR and Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.3 Impedance Matching, Power Matching, Noise Matching . . . . . . . . . 12 2.2.4 Transducer Power Gain, Operating Power Gain and Available Power Gain 13 2.2.5 Intermodulation Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 The Deep Sub-Micron MOS Transistor at Radio Frequencies . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 MOS Model for Hand Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Linearity of the short-channel MOS transistor . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.3 Non-Quasi Static Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.4 Extended MOS Model for Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4 The Origin of Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.1 Resistor Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.2 Thermal Noise in MOS transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.2.1 Classical MOS Channel Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.2.2 Induced Gate Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.3 1/f Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.4 Shot Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5 The LNA in the Receiver Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.1 Cascading Non-Ideal Building Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.1.1 Noise in a Cascade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.1.2 IIV3 of a Cascade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.2 Wireless Receiver Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.5.3 LNA Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.3.1 Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.3.2 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5.3.3 Voltage Gain or Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5.3.4 Intermodulation Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5.3.5 Reverse Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5.3.6 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.5.3.7 Single-ended vs. Differential . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.6 Topologies for Low-Noise Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.6.1 The Inductively Degenerated Common Source LNA . . . . . . . . . . . 33 2.6.1.1 From Basic Common-Source Amplifier to Inductively Degenerated Common-Source LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.6.1.2 Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6.1.3 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.6.1.4 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.6.2 The Common-Gate LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.6.2.1 Input Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.6.2.2 Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.2.3 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.2.4 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.6.3 Shunt-Feedback Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.6.4 Image Reject LNA’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.6.5 Highly Linear Feedforward LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.6.6 The Noise-Cancelling Wide-band LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.6.7 Current Reuse LNA with Interstage Resonance . . . . . . . . . . . . . . 52 2.6.8 Transformer Feedback LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3 ESD Protection in CMOS 55 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2 ESD Tests and Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.1 Human Body Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.2 Machine Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.3 Charged Device Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.4 Transmission Line Pulsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3 ESD-Protection in CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3.1 ESD-Protection Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3.1.1 Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3.1.2 Grounded-Gate NMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.3.1.3 Gate-Coupled NMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.1.4 Silicon-Controlled Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.2 ESD-Protection Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.3.2.1 I/O Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.3.2.2 Power Supply Clamping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4 Detailed Study of the Common-Source LNA with Inductive Degeneration 73 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2 The Non-Quasi Static Gate Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.1 Influence of rg,NQS on Zin, GT and IIP3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.2 Influence of rg,NQS on the Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3 Parasitic Input Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.3.1 Impact of Cp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3.1.1 Influence of Cp on Input Matching . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.3.1.2 Influence of Cp on Power Gain, Noise Figure and IIP3 . . . . . 82 4.3.2 Impact of Cp Non-Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.3 Impact of the Finite Q of Cp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4 Miller Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.5 Optimization of the Cascode Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.6 Output Capacitance Non-Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.7 Impact of a Non-Zero S11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.8 Output Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.8.1 Load Impedance Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.8.2 Output Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.9 LNA Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.10 Layout Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.10.1 RF Bonding Pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.10.2 On-Chip Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.10.2.1 Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.10.2.2 Patterned Ground Shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.10.3 The Amplifying Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.10.4 The Cascode Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.11 The Common-Gate LNA Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.12 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5 RF-ESD Co-Design for CMOS LNA’s 111 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2 ESD-protection within an L-Type Matching Network . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.2.2 General Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.2.3 Design and Layout of the ESD Protection Diodes . . . . . . . . . . . . . 115 5.2.4 Non-Linearity of Input ESD Protection Diodes . . . . . . . . . . . . . . 116 5.2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.3 ESD-Protection within a Π-Type Matching Network . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.4 Inductive ESD-Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.6 Other ESD-Protection Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6.1 Distributed ESD-Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6.2 ESD-Protection with T-Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.7 ESD-Protection for the Common-GateLNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6 Integrated CMOS Low-Noise Amplifiers 133 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.2 A 0.8 dB NF ESD-Protected 9 mW CMOS LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.2.1 The GPS Power Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.2.2 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.2.3 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.2.4 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.2.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 6.2.6 Discussion and Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.3 A 1.3 dB NF CMOS LNA for GPS with 3 kV HBM ESD-Protection . . . . . . . 147 6.3.1 The Complete GPS Receiver Front-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.3.1.1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.3.1.2 Low-Noise Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.3.1.3 Quadrature, Direct Digital Downconversion . . . . . . . . . . 148 6.3.1.4 PLL Frequency Synthesizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.3.2 The Low Noise Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.4 A 5 GHz LNA with Inductive ESD-Protection Exceeding 3 kV HBM . . . . . . . 159 6.4.1 5 GHz Wireless LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.4.2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 7 Conclusions 171 A Fundamentals of Two-Port Noise Theory 173 Index 175 |
