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  • Ultra High-Speed CMOS Circuits

  • Sam Gharavi • Babak Heydari

    Ultra High-Speed CMOS Circuits

    Beyond 100 GHz

    With contributions to Chapters 6 and 7 from M.C. Frank Chang and M.H. Gharavi

    123

  • Sam Gharavi Electrical Engineering Department University of California, Los Angeles Los Angeles, CA 90095-1594, USA gharavi@ee.ucla.edu

    Babak Heydari Stevens Institute of Technology Hoboken, NJ 07030, USA babak.heydari@stevens.edu

    ISBN 978-1-4614-0304-3 e-ISBN 978-1-4614-0305-0 DOI 10.1007/978-1-4614-0305-0 Springer New York Dordrecht Heidelberg London

    Library of Congress Control Number: 2011933660

    © Springer Science+Business Media, LLC 2011 All rights reserved. This work may not be translated or copied in whole or in part without the written permission of the publisher (Springer Science+Business Media, LLC, 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA), except for brief excerpts in connection with reviews or scholarly analysis. Use in connection with any form of information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed is forbidden. The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they are not identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights.

    Printed on acid-free paper

    Springer is part of Springer Science+Business Media (www.springer.com)

  • Contents

    1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Future of CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 The Terahertz Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Shift of Paradigm in the IC Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Potential New Applications and Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.5 This Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    2 mm-Wave Device Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 The Importance of Modeling in mm-Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 High Frequency Modeling Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    2.2.1 Large Signal Modeling .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Measurement and De-embedding .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.3.1 RF Measurement Pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.2 Open-Short De-embedding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.3 Recursive Modeling Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    2.4 Cascode Modeling .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    3 mm-Wave Device Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1 Device Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Layout Effect on Device Performance .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    3.2.1 Parasitic Resistance Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2.2 Multi-Finger Layout Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    3.3 Round-Table Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4 mm-Wave Power Device Optimization .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    4 mm-Wave CMOS Noise Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2 Two Port Noise Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.3 CMOS Noise Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.4 mm-Wave Noise Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    v

  • vi Contents

    4.5 Noise Sensitivity Analysis to Parasitics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.6 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    5 Unilateralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.1 Theory of Unilateralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    5.1.1 Mason Gain as a Maximum Gain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.2 2-Port Unilateralization Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.3 N-Port Unilateralization .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.4 Single Transistor Unilateralization.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.5 Simulated Results and Implementation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    5.5.1 Implementation and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    6 Terahertz CMOS Devices, Circuits and Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1 Ultra-High Speed CMOS Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    6.1.1 CMOS with Enhanced-Mobility Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.2 Graphene High-Speed Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    6.2 Ultra-High Speed CMOS Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.2.1 Nano-Scale CMOS Transceivers

    in the 90–170 GHz Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2.2 CMOS THz Oscillator Based on Linear Superposition . . . . . 67 6.2.3 THz CMOS Push–Push Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2.4 300 GHz Fundamental-Tone Oscillator in CMOS . . . . . . . . . . . 70 6.2.5 600 GHz CMOS Passive Imager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.2.6 200 GHz CMOS Frequency Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

    6.3 Ultra-High Speed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.3.1 Ultra-High-Speed Data Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.3.2 Direct Antenna Modulation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

    6.4 Chapter Summary and Conclusion.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    7 Imaging Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.1 Photons Interaction with Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.2 Active and Passive Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 7.3 Optical Versus Non-optical Imaging .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    7.3.1 Responsivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 7.4 Attenuation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 7.5 Image Quality Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

    7.5.1 Spatial Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.5.2 Contrast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.5.3 Penetration Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    7.6 Passive Imaging Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.7 Imaging Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.8 Medical Imaging .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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