Design of CMOS IC technology for the generation and distribution of the LO signal at 77 GHz Multichannel Radar

The mmWave technology and its circuit design technique are entering the mainstream electronic market. This thesis concentrates on Local Oscillator distribution at mmWave frequency for the automotive radar. The LO distribution occurs at 76 GHz-81 GHz, The focus of the study is to implement a mmWave distribution chain 1 input to 8 outputs with the lowest transmission losses and phase and amplitude matching between the out- puts, at the same time with low noise factors and power consumption and working across all PVT (Process, Voltage, and Temperature). The first chapter of the thesis gives an overview of FMCW(Frequency Modulated Continuos Wave) radar and its working principles, followed by an architectural view of the FMCW radar. The second chapter concentrates on the transmission line building technique for a fully differential scheme since the LO distribution is fully differential. To achieve this, the BEOL and the available metal layers are optimised to build a transmission line. Further, the activity also includes creating an RLGC model of the transmission line which can be used in place of complex and time consuming electromagnetic simulationsof the variuous inter- connections of the LO distribution chain, allowing for a more efficient, scalable and flexible design approach. The third chapter discusses the different circuit strategies, both passive and active structures, for splitting the signal in a binary tree fashion for the LO distribution. The main focus of the thesis will be implementing a CG-Cascode structure for active splitting of the LO signal, providing both gain and isolation between the out- puts. For the same, the circuit is implemented using a transistor and its associated layout and performance are characterised by EM simulation. The study of various matching networks is also involved in the circuit design. The evaluation of EM structures such as transformers, capacitors and the transistor are studied for this. The final chapter concentrates on building the full LO distribution binary tree and reporting the main performance parameters of the entire chain.

Progettazione di tecnologia CMOS IC per la generazione e distribuzione del segnale LO a 77 GHz Multichannel Radar. Le tecnologie mmWave e le relative tecniche di progettazione dei circuiti stanno sempre piu’entrando nel mercato dell’elettronica tradizionale. Questa tesi si concentra sulla Local Oscillator distribution, a frequenze mmWave (f ≥ 30 GHz), applicata al settore automotive per la realizzazione di un radar. La distribuzione LO avviene a 76 GHz-81 GHz. L’obiettivo dello studio `e implementare una catena di distribuzione 1 a 8 che presenti basse perdite di trasmissione, uniformita’ in termini di ampiezza e fase tra le varie uscite unite a un basso fattore di rumore, consumo energetico e capace di operare al variare dei parametri di processo, tensione e temperatura (PVT). Il primo capitolo della tesi fornisce una panoramica del radar FMCW e dei suoi principi di funzionamento seguiti da una descrizione della struttura del radar FMCW. Il secondo capitolo si concentra sulla tecnica di costruzione della linea di trasmissione per uno schema fully differential a partire dalla dis- tribuzione LO. Questo sfrutta il BEOL e gli strati metallici disponibili per raggiungere e costruire una linea di trasmissione ottimale. Lo scopo di questa attivit`a `e quello di costruire un modello RLGC della linea di trasmis- sione che possa essere utilizzato successivamente per la distribuzione LO al posto di dispendiose simualzioni elettromagnetiche, rendendo il design piu’ flessibile ed efficiente. Il terzo capitolo discute le diverse strategie circuitali sia di struttura passiva che attiva per la suddivisione del segnale con un’impostazione ad ”albero bina- rio” per la distribuzione LO. L’obiettivo principale della tesi consiste nell’implementare una struttura cascode basata su configurazioni a gate comune (CG) per la divisione attiva del segnale, allo stesso tempo fornendo amplificazione e isolamento tra le uscite. Allo stesso modo, il circuito `e implementato utilizzando transistor e il suo layout, cosi’ come le sue prestazioni sono caratterizzati, anche lo studio su varie reti di adattamento `e coin- volto nel design del circuito. A questo scopo viene studiata la valutazione di strutture EM come trasformatori, condensatori e transistor. Il capitolo finale si concentra sulla costruzione dell’LO distribution binary tree. Cio’ comporta la realizzazione completa del layout del sistema e lo studio degli effetti dovuti all’accoppiamento differenziale nelle strutture EM.