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& www.cea.fr Didier Belot; Alexandre Giry; Alexandre Siligaris; Baudouin Martineau; Ayssar Serhan; Pierre Ferris CEALETI « Silicon Power Amplifiers for 5G+ and IoT wireless communication applications” [email protected]

Silicon Power Amplifiers for 5G and IoT wireless communication … Silicon Power... ·  · 2017-04-04« Silicon Power Amplifiers for 5G+ and IoT wireless communication applications

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www.cea.fr

Didier Belot; Alexandre Giry;  Alexandre Siligaris; Baudouin Martineau; Ayssar Serhan; Pierre Ferris CEA‐LETI

« Silicon Power Amplifiers for 5G+ and IoT wireless communication applications”

[email protected]

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RF & WIRELESS 5G+ APPLICATIONS

Connectivity is everywhere; PA is in each Connectivity

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Outline

Introduction

Silicon Processes for Power Amplifiers

5G+ Applications & Design examples

Conclusions

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Introduction

Silicon Technology Evolution

Wireless Trends

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Silicon Technology Evolution

PA is a mixt Application

between More Moore 

and More than Moore

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Wireless Trends

Reconfigurability:Data‐Rate, size, power consumption…Data/Range  Efficiency

Low Cost and Modularity:Light Infrastructure

Safety and Security:Smart Interactive NetworkSense and React concept Secure links

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Silicon Processes for Power Amplifiers

CMOS Processes

SiGe HBT BiCMOS Processes

Summary

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CMOS: Transistors on Bulk and SOI substrates

Medium resistivity (~10 Ω.cm) in bulk technologies  substrate losses High resistivity (~1 KΩ.cm) not used with bulk due to latch‐up issues

Solution: very good isolation and reduced losses thanks to High Resistivity substrates possible only on SOI

Buried OxideSOI

> 1kOhm-cm Si

SOI technology (STMicroelectronics)

STI

Bulk ~ 10 Ohm-cm

65nm RF Bulk technology (STMicroelectronics)

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CMOS: Bulk and SOI devices RF performances 

Bulk AND SOI devices show similar HF performances:

SOI FB CMOS suffers from Kink effect, but in HF has same characteristics as a identical layout bulk device

SOI BC CMOS is penalized in HF by their specific layout (Rg and Cgs )

40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300

255075

100125150175200225250

TOX = 23A TOX = 21A TOX = 18A TOX = 16A

TOX = 13A f 1 / LG0.86

f T (G

Hz)

Physical Gate Length (nm)

LP (RF) and GP (VLSI) devices

fT 1/Lg ( ~ 1)

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TECHNO PD‐SOI 130NM

STM CMOS SOI 130nm technology

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CMOS: 28nm Planar UTBB FD‐SOI Structure

Handle wafer

High‐KMetal Gate

Ultra Thin Body & BOX Fully Depleted SOI transistor

Thin Body(7nm)

11

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CMOS: 28nm Planar UTBB FD‐SOI Specificities

Body‐Bias

Hybrid zone

24nm

Ultra thin bodyBetter SCE immunity

Ultra thin BOXExtended body biasing

Total dielectric isolationLatch up immunity

No channel dopingImproved variability

UTBB FD‐SOI enables shorter channel length

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CMOS: 28 FD SOI Body Bias control

Nominal VTN

Nominal VTP

0VBS

VT

gnd gnds

A Z

Bn

Sn

Bp

Sp

VDD VDDS

VGS

Log(ID)

IOFF

ION

➩ Interesting to temporarily trade‐off leakage and speed➩ Interesting to compensate process fluctuations

13

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CMOS: 28 FD SOI Body Bias control

➩ Body Bias not degraded with scaling in FDSOI➩ Body biasing fully inefficient in Finfet

14

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CMOS Technologies Specificities

CMOS Techno GO1 GO2 Stack LDMOS or DRIFT MOS Passives NVM

Vdd FT Vdd Fmax Num of Trans

BV Fmax Q RF Q mmW

HR PD SOI 130 1.2V 70GHz 2.5V 40GHz 10 ‐ 15 14V 50 GHz High Med No

CMOS 65 (RF) 1.2V 140GHz 1.8V 60GHz < 4 8V (Free) Few GHz Low Med No

CMOS 40 (VLSI) 1.2V 220GHz 1.8V 60GHz < 4 NA NA Very Low Med Yes

FDSOI 28 1.0V 320GHz 1.8V 70GHz < 6 6V (Free) 6GHz  Med Med No

ST‐Microelectronics sources

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SiGe BiCMOS: SiGe HBT for Power Amplifier 

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SiGe BiCMOS Technologies Specificities

SiGe BiCMOSTechno

GO1 GO2 LV HBT HV HBT Passives

Vdd FT Vdd Fmax BV Fmax BV Fmax Q RF Q mmW

BiCMOS 130 1.2V 70GHz 2.5V 40GHz 5.5V 280GHz 14V 260GHz High High

BiCMOS 55 1.2V 140GHz 1.8V 60GHz 5.4V 350GHz 14V 260GHz High High

ST‐Microelectronics sources

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Summary: CMOS Technology for Power Amplifiers

HR PD SOI 130

NOISE

ISOLATION

SELECTABILITY

POWER

LINEARITY

MATCHING

CMOS 40 VLSI

NOISE

ISOLATION

SELECTABILITY

POWER

LINEARITY

MATCHING

CMOS 65 RFFD SOI 28

NOISE

ISOLATION

SELECTABILITY

POWER

LINEARITY

MATCHING

NOISE

ISOLATION

SELECTABILITY

DIGITALINTEGRATION

POWER

LINEARITY

MATCHING

DIGITALINTEGRATION

DIGITALINTEGRATIONDIGITAL

INTEGRATION

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Summary: SiGe BiCMOS Technologies Specificities

NOISE

ISOLATION

SELECTABILITY

POWER

LINEARITY

MATCHING

BiCMOS 130 BiCMOS 55

NOISE

ISOLATION

SELECTABILITY

POWER

LINEARITY

MATCHING

DIGITALINTEGRATION

DIGITALINTEGRATION

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5G+ Applications & Design examples

IoT – IoE Applications

WLAN – WPAN Applications

5G Backhaul for Mini Cell Applications

5G Cellular Mini Cell – Devices Link Applications

V2V, V2I and I2V Applications

mmW Radar Applications

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IoT – IoE Frequencies & StandardsWireless Sensors Networks

Internet of Things / Internet of Everything

WSN (Static)N2N – STAR – Cellular

WBAN (static or dynamic)STAR

NodesLow End Node

High End Node (LAN Master)High End Node (Cellular Master)High End Node (Cellular Node)

Range:Short < 10m

Medium < 100mLong < 1Km

Cellular > 1Km

Band 6

7.6 to 8.7 GHz

UWB (Body transmission)ISM Bands

Ad Hoc Com

Nodes Connections

Cloud ConnectionsLAN Cellular

New 700 MHz Cellular opportunity

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IoT – IoE PAs Key SpecificationsNetwork Nodes Standards Modulation Frequency RF Power Form Factor Si PA?

WSN

Low End SR Zig. BTLE Ad hoc Up to BPSK ISM up to 2.5GHz Up to 0dBm SOC  YES

Low End MR Zig. BTLE BT Ad hoc

Up to BPSK ISM up to 2.5GHz Up to 10dBm SOC YES

Low End LR Zig. BTLE BT Ad hoc

Up to BPSK ISM up to 2.5GHzAnd 700MHz BW

Up to 10dBm16 dBm (To be Defined)

SIP YESYES

LAN Master Zig. BTLE BT Ad hoc – WiFi ah (b g?)

Up to BPSKUp to BPSKUp to QPSK

ISM up to 2.5GHzWiFi 0.9GHz WiFi 2.5GHz

Up to 10dBmUp to  0dBmUp to 27dBm

SOC YESYESYES

Cellular Master Zig. BTLE BT Ad hoc ‐ Edge

GMSK to QPQK ISM up to 2.5GHzLTE

Up to 10dBmUp to 33dBm

SIP YESFEASIBLE

Cellular Node SigFox, ad hoc GMSK to BPSK 868MHz … 700, 915, 950MHz BW?

Up to 14dBm SOC YES

WBAN

Node Zig. BTLE Ad hocUWB

Up to BPSK ISM up to 2.5GHzUWB 7.6‐8.7GHz

Up to 10dBm SOC  YES

LAN Master Zig. BTLE Ad hocUWB –WiFi ah (b g?)

Up to BPSKImpulseUp to QPSK

ISM up to 2.5GHzUWB 7.6‐8.7GHzWiFi 0.9GHzWiFi 2.5GHz?

Up to 10dBmUp to ‐14dBmUp to 0dBmUp to 27dBm

SOC  YESYESYESYES

Cellular Master Zig. BTLE Ad hocUWB – Edge

GMSK to QPSK& Impulse

ISM up to 2.5GHzUWB 7.6‐8.7GHzLTEWCDMA 2.2GHz

Up to 10dBmUp to ‐14dBmUp to 33dBmUp to 30dBm

SIP YESYES

FEASIBLEYES

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2GHz CMOS Bulk SFFD PA

Courtesy to  IMS Bordeaux (E.Kerhervé; Y.Luque)  

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WLAN – WPAN – Device to Device ‐ Applications

Cloud

External

WLAN Master

D2D2.4GHz

5‐6GHz

2.4GHz

57 – 66 GHz

D2DPAN

LAN (Up to 500Mbs)

D2D & LAN (Up to 7Gbs)

0dBm to 10dBm (Up to 1Mbs)

10dBm to 27dBm

10dBm to 18dBm

Present SOCs + FEM

Future SOCs?

What About RF Power Interface?

802.11 p?

6GHz up to 33dBm

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WLAN – WPAN – D2D: PAs Key Specifications

Network Objects Standards Modulation Frequency RF Power Form Factor Si PA?

LAN

Low End Low Powershort range

WiFi ahb

Up to QPSKUp to QPSK

0.9GHz2.5GHz

Up to 0dBmUp to 20 dBm

SOC YESYES

Low End Long Range WiFi b, g Up to 16 QAM 2.5GHz Up to 27dBm SOC  YES

High End (phone, Tablet, Laptop …)

WiFi aha, b, g, n, ac, ad

Up to QPSKUp to 16 QAMUp to 64 QAMUp to 16 QAM

0.9GHz2.5GHz & 5GHz2.5GHz & 5GHz60GHz

Up to 0dBmUp to 27dBmUp to 27dBmUp to 18dBm

SOC YESYESYESYES

Box WiFi aha, b, g, p n, acadBT, BTLE, Zigbee

Up to QPSKUp to 16 QAMUp to 64 QAMUp to 16 QAMUp to BPSK

0.9GHz2.5GHz, 5‐6GHz2.5GHz & 5GHz60GHz2.5GHz

Up to 0dBmUp to 33dBmUp to 33dBmUp to 18dBmUp to 10dBm

SIP YESFEASIBLEFEASIBLE

YESYES

D2D PAN

Low End (headphones…)

BT Up to BPSK  2.5GHz Up to 10dBm SOC YES

High End (camera, screen …)

UWB 7‐10GHz,60GHz D2D, …

ImpulseUp to 16 QAM

7‐10GHz60GHz, 120GHz

Up to ‐15dBmUp to 0dBm

SOC YESYES

LETI WiFi Box PA Demonstration in 130nm CMOS PD‐SOI targeting « FEASIBLE » specs is under test

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A 60GHz PA for WiGig Application

A 1.2V 20 dBm 60 GHz Power Amplifier with 32.4 dB Gain and 20 % Peak PAE in 65nm

4 stages Power Amplifier8 to 1 output power combining7M BEOL CMOS 65 technology

‐20

‐10

0

10

20

30

40 45 50 55 60 65 70 75 80

S‐pa

rameters [dB

]

Freq [GHz]

S21

S22

S11

9GHzMeasurement

Simulation

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60GHz PA compliant 802.11ad

4 channel 802.11.ad compliant

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5G Backhaul for Mini‐Cell : Cellular Network

Backhaul

Mini‐CellBackhaul mmW Bands

KoreaKa 28GHz

US ‐ ChinaQ 38 GHz

US ‐ EuV 60 GHz; E 71 – 86 GHz

Urban Networks: 4 Frequency Bands for Backhaul links;Mini‐Cell Distance : 150m – 300m

Suburban Networks: Multiple channels in 15 – 23GHz BW (source E//)Up to 1Km

Rural Networks: Multiple channels in 6 – 13GHz BW (source E//)Over 1Km Rural

E// white PaperC 6 ‐ 13GHz

SuburbanE// white PaperKu‐K 15 ‐ 23GHz

Urban

E// White Paper source

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5G Backhaul for Mini‐Cell: PAs Key Specifications

Network BW Frequency Modulations RF Pout Antenna(s) Gain EIRP Si PA?

C Band6‐13GHz

N x 30MHz 6–13GHz > 100 Mbs x N Up to 32 dBm Up to 48 dBi Up to 80 dBm FEASIBLE

Ku‐K Band15‐23GHz

15–23 GHz > 100 Mbs x N Up to 27 dBm Up to 50 dBi Up to 77 dBm YES

Ka Band28GHz

1 GHz  28GHz 64 QAM  Next 128 QAM

Up to 25 dBm Up to 42.5 dBi Up to 67.5 dBm YES

Q Band38GHz

2GHz 39 GHz 64 QAM Next 128 QAM

Up to 23 dBm Up to 45 dBi Up to 68 dBm YES

V Band60GHz

9 GHz 60GHz 16 QAMNext 64 QAM

Up to 10 dBm Over 30dBi Up to 55 dBm YES

E Band71‐86GHz

5 + 5 GHz 71‐76 GHz81‐86 GHz

16 QAMNext 64 QAM

Up to 30 dBm Over 38 dBi Up to 85 dBm CHALLENGING

ETSI Recommendations (ETSI TR 102 243‐1 V1.2.1 (2013‐07))

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60GHz Reconfigurable FD‐SOI 28nm PA

A 60GHz 28nm UTBB FD‐SOI CMOS Reconfigurable Power Amplifier with 21% PAE, 18.2dBm P1dB and 74mW PDC

3 stages Power Amplifier8 to 1 output power combining10M BEOL CMOS 28 FD‐SOI technology

VDD

VDDVG1

VG1 VDD

VB2

VG1VDD

VG1

VB2

VB1

VB1 VB1

VB1

VDDVDD

VB2 VB2

VG2 VG2

VG2 VG2

Out+ Out-

In+ In-

VG VG

RFin

RFout

150µm150µm

150µm 150µm

76µm76µm

AreaCORE :0.16mm²

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PA Reconfigurability

Class‐A and AB+B operating modeSplitting a power stage within a power amplifier into N units, having common input, ground and 

‐70

‐60

‐50

‐40

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

40 45 50 55 60 65 70 75 80

S‐parameters [dB

]

Freq [GHz]

S21

S11S22

S12

11GHz

Class‐A operating mode (Pdc=325mW) : ‐ Very high gain ( up  to 34dB@60GHz)‐ More than 11dB gain for one stage (+4dB 

w.r.t. to CMOS 65nm)

Class‐AB + B operating mode (Pdc=110mW) : — Unique operating mode allowed by FDSOI technology— Still high gain ( up to 20dB@60GHz— 70% power reduction

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DACLE Division| January 2014© CEA. All rights reserved | 32&

Reconfigurable FDSOI PA for 802.11ad

4 channel 802.11.ad compliant

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66

PAE [%

]

P SAT[dBm

], P ‐

1dB[dBm

]

Freq [GHz]

PAE‐1dB

P‐1dB

PSAT

Channel 1[57.24-59.4]

Channel 2[59.4-61.56]

Channel 3[61.56-63.72]

Channel 4[63.72-65.88]

PSAT [dBm] 19.1 ± 0.1 18.9 ± 0.1 18.35 ± 0.45 17.1 ± 0.8P-1dB [dBm] 18.5 ± 0.05 18.2 ± 0.25 17.7 ± 0.3 16.5 ± 0.7PAE-1dB [%] 20.9 ± 0.6 21.1 ± 0.4 19.3 ± 1.4 15 ± 2.9

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DACLE Division| January 2014© CEA. All rights reserved | 33&

60‐65GHz SiGe BiCMOS 130 PA 

Courtesy to  IMS Bordeaux (E.Kerhervé; N.Demirel)  

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5G Cellular: Mini‐Cell Link

Mini‐cell Links

Mini‐cell :Circle : 100m – 200m; 360°

0.7 – 6GHz: Peak Pout 35dBm / Max EIRP 43 dBm(ETSI TR 143 030 V9.0.0 (2010‐02) To be confirmed)

60GHz : Max Pout 10dBm/ Max EIRP 55dBm / Min Antenna Gain: 30dBi / Dynamic Beam orientation

Cellular Device: Up to 5 GHz – (Excluding WiFi) ‐ 180°0.7 – 5GHz: Max Pout up to 36 dBm. (60GHz :treated with WiFi)

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DACLE Division| January 2014© CEA. All rights reserved | 35&

5G Mini‐Cell Links: PAs Key Specifications

Bands BW Standards Modulations RF Pout EIRP BEAM FORM

Si PA?

0.7 – 3.7 GHz 3 GHz  2G 3G LTE WiFi‐2.5

Up to 128 QAM Up to 36 dBm Up to 43 dBm No FEASIBLE

3 – 6 GHz 3 GHz LTE WiFi‐511.p

Up to 128 QAM Up to 36 dBm Up to 43 dBm No CHALLENGING

60GHz 9 GHz 60GHz 16 QAMNext 64 QAM

Up to 10 dBm Up to 55 dBm Dynamic YES

ETSI RecommendationsTo be Confirmed for 0.7 – 6GHz

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DACLE Division| January 2014© CEA. All rights reserved | 36&

5G Devices (cell standards) : PAs Key Specifications

Bands BW Standards Modulations RF Pout BEAM FORM

Si PA?

0.7 – 3.7 GHz 3 GHz  2G 3G LTE Up to HPSK Up to 36 dBm No YES

3 – 6 GHz 3 GHz LTE Up to HPSK Up to 36 dBm No YES

ETSI RecommendationsTo be Confirmed

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DACLE Division| January 2014© CEA. All rights reserved | 37& Giry Alexandre | March 2017

RECONFIGURABLE PA IN PD‐SOI 130NM 

Reconfigurable, High Power, High-Efficiency & Linearity

« A 130‐nm SOI CMOS Reconfigurable Multimode Multiband Power Amplifier for 2G/3G/4G HandsetApplications »

© 2016 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium

KEY FEATURES

o Cellular applications

o Multimode Multiband

o 2G/3G/4G

o >10 cellular bands

o Reconfigurable

o Highly integrated solution 

(power devices, matching 

networks, switch, control)

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DACLE Division| January 2014© CEA. All rights reserved | 38&

BiCMOS 130 Adaptive PA

Variable transconductance gain mixer

Courtesy to IMS Bordeaux (E.Kerhervé, L.Leyssenne)

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DACLE Division| January 2014© CEA. All rights reserved | 39&

Self Adaptive PA

Courtesy to IMS Bordeaux (E.Kerhervé, L.Leyssenne)

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V2V & V2I – I2V: Transport Network

V2V

V2I

DSRC based on 802.11 p:

V2V – V2I : Circle, up to 1Km, 360°; I2V : up to 1Km, Road angle.

5.85 _ 5.92 GHz: V2V – V2I Max Pout up to 33dBm; I2V Max Radiated Power 43 dBm (Road angle)

Modulation: Up to 64QAM

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V2V & V2I – I2V – I2I: Key Specifications

Link BW Frequency Modulations EIRP Antenna(s) Angle BEAM FORM Si PA?

V2V – V2I 10MHz 6 GHz Up to 64 QAM   Up to 33 dBm 360° NO FEASIBLE

I2V 10MHz 6 GHz Up to 64 QAM Up to 43 dBm 10° to 30°:Road « angle »360° : cross road

NO CHALLENGING

I2I No specific definition:Distance 200m to 5Km : Should use Telecom Infrastructure communications (E Band, Copper, Fiber …) 

Starting from work done for WiFi PA Demonstration in 130nm CMOS PD SOI Technology LETI plans to develop a 802.11p PA for V2X applications at “FEASIBLE” specs.

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mmW Radar Sensors

Radar

WBAN

Radar

Health Radar

Automotive  Radar‐ Heartbeats monitoring ‐ Respiration monitoring‐ Distance < 2m‐ Angle < 45°‐ Frequency > 60GHz 

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mmW Radar: Key Specifications

Radar BW Frequency Modulations RF Pout EIRP Antenna(s)Angle

Si PA?

Health 60Ghz

9 GHz 60 GHz FMCW or Pulse   Up to 10 dBm Up to 10 dBm 45° YES

Automotive SRR

4 GHz 79 GHz FMCW or Pulse  Up to 30 dBm Up to 55 dBm 80° H / 20° V CHALLENGING

Automotive LRR

1 GHz 77 GHz Pulse Up to 23.5 dBm Up to 55 dBm 20° H / 20° V FEASIBLE

8 SRR Radar / Vehicle1 LRR Radar / Vehicle

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SiGe 130nm BiCMOS 79 GHz PA with integrated baluns

IN OUT

VCC=1.8V0V

VCC=1.8VVBIAS=1.8V

150um

Chip size:0.8mm*0.875mm=0.7mm²

Courtesy to IMS Bordeaux (E.Kerhervé, N.Demirel)Results from ANRT VELO

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SiGe 130nm BiCMOS 79 GHz PA 

Courtesy to IMS Bordeaux (E.Kerhervé, N.Demirel)Results from ANRT VELO

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SiGe 130nm BiCMOS 79 GHz 4‐PA & 4‐ANTENNAS Co‐integration 

Courtesy to IMS Bordeaux (E.Kerhervé, N.Demirel) and LABSTICC Brest (C.Person)Results from ANRT VELO

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SiGe 130nm BiCMOS 79 GHz 4‐PA & 4‐ANTENNAS AND LENS Co‐integration 

Courtesy to IMS Bordeaux (E.Kerhervé, N.Demirel) and LABSTICC Brest (C.Person)Results from ANRT VELO

CHALLENGING

FEASIBLE

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Summary: HR PD SOI 130 PA 

HR PD SOI 130

Architecture & Fmax

Technology (BV)

Frequency over 6GHz:Increase Fmax 

Source ISSCC 2016 Trends

High Perf RF Switches AvailableVery High Q Passives Available

RECONFIGURABILITY

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Summary: CMOS RF 65 PA 

CMOS RF 65

Architecture

Technology(BV)

Frequency over 60 GHz:Increase Fmax 

Source ISSCC 2016 Trends

CMOS RF 65

Architecture & Fmax

Technology Fmax

Source ISSCC 2016 Trends

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Summary: FD SOI CMOS 28 PA 

FD SOI CMOS 28

Architecture

Architecture (Stack) & Technology

(BV)

Frequency over 150 GHz:Increase Fmax 

Source ISSCC 2016 Trends

FD SOI CMOS 28

Architecture & Fmax

Architecture (Stack)& Technology (BV & Fmax)

Source ISSCC 2016 Trends

RECONFIGURABILITY

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Summary: SiGe HBT BiCMOS PA 

SiGe BiCMOS 130

Architecture

Technology(BV)

Frequency over 180 GHz:Increase Fmax 

Source ISSCC 2016 Trends

SiGe BiCMOS 55

Architecture & Fmax

Technology(BV)

Source ISSCC 2016 Trends

Frequency over 140 GHz:Increase Fmax  INTEGRATION

VERY High Q PASSIVES

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Conclusions

CMOS and SiGe BiCMOS technologies allow designing PA for Connectivity Applications.

RF CMOS 65 processes are well adapted for SOC low power output, (up to 10 dBm) connectivity applications with operating frequencies up to 60GHz.FD SOI CMOS 28 processes are well adapted for SOC low to medium power output, (up to 20 dBm) RECONFIGURABLE connectivity applications with operating frequencies up to 150GHz.PD SOI CMOS 130 processes are well adapted for medium to « high » power output, (up to 36dBm) connectivity applications with operating frequencies up to 10GHz. The technology offers the possibility to implement HIGH PERF RF SWITCHES and the use of HIGH Q PASSIVES.SiGe HBT BiCMOS 130 processes are well adapted for medium to « high » power output, (up to 33 dBm) connectivity applications with operating frequencies up to 140GHz. The technology offers HIGH Q PASSIVE availability.SiGe HBT BiCMOS 55 processes are well adapted for medium to « high » power output, (up to 33 dBm) connectivity applications with operating frequency up to 180 GHz. With a SOC integration possibility.