I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s     Vo l. 8 ,   No . 1 ,  Ma r ch   201 9 ,   p p .   14 ~ 26   I SS N:  2 089 - 4 864 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r es . v8 . i1 . pp 14 - 26     14       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S /in d ex   Desig n of a 6 0  GH z   po w er a m plif i er in   a  45 n m  CM O S       Ra s h m i S .   B . 1 ,   Siv a   S .   Yella m pa lli 2   1 Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics a n d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r i n g ,   Do n   B o s co   I n s tit u te  o f   T ec h n o lo g y ,  I n d ia   2 UT L   T ec h n o lo g ies ,   I n d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   1 1 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   J an   29 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   Feb   6 ,   2 0 1 9       T h is  P a p e r  p re se n ts  a   d e sig n   a n d   im p lem e n tatio n   o f   c las s - A B  p o we r  a m p li f ier  w h ich   w o rk s  a t  6 0 G H z   u n li c e n se d   f re q u e n c y   b a n d .   T h is  p o w e r   a m p li f ier  u se s   a   M OSF ET   f ro m   g p d k 4 5   tec h n o l o g y   li b ra r y .   T h e   d e sig n   sim u latio n   is  d o n e   b y   c a d e n c e   An a lo g   De sig n   En v iro n m e n t.   T h is   p ro p o se d   p o w e r  a m p li f ier  y i e ld s  a   p o w e r  a d d e d   e f f icie n c y   o f   2 3 . 4 5 %   a n d   a   p o w e r  g a in   S 2 1   o f   1 0 d B  a t  6 0 G Hz .   T h e   o u tp u t  im p e d a n c e   o f   p ro p o se d   p o w e r  a m p li f ier   is  n e e d s  to   b e   m a tch e d   w it h   7 3 Ω   a n ten n a   im p e d a n c e .   T h e   S 2 2   o u tp u t  m a tch in g   o f   th e   sim u late d   p o w e r  a m p li f ier i s  - 1 8 d B  a t  6 0 G Hz .   T h e   in p u t  si d e   is  m a tch e d   to   a rb it ra r y   i m p e d a n c e   o f  5 0 Ω   th e   re su lt i n g   S 1 1   o f   si m u late d   re su lt   is  n o ted   t o   b e   - 1 5 d B  a t   6 0 G H z .   T h e   p ro p o se d   c ircu i t  h a s  a   n o ise   f ig u re   o f   3 . 8 5 d B.   T h e   p ro p o se d   c ircu it   h a s  a   P o u t - 1 d B  o f   8 . 5 d Bm .   th e   d e sig n e d   c las s  A B  p o we r  a m p li f ier  is  a n   i m p o rtan t  c o m p o n e n t  in   6 0 G Hz   tran sc e iv e r.   T h e   la y o u t  o f   th e   a ss o c iate d   c ircu it   is  d ra w n   w it h   th e   t o tal  siz e   o f   0 . 1 0 7 u m 2 .   K ey w o r d s :   6 0 GHz   C las s - AB   Ma tch i n g   P o w er   a m p l if ier   RF   Co p y rig h t  ©   2 0 1 9   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   R as h m i S . B . ,   Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics a n d   C o m m u n icat io n   E n g i n ee r in g ,   Do n   B o s co   I n s tit u te  o f   T ec h n o lo g y I n d ia .   E m ail: ij r es@ iaesj o u r n al. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   I n   t h e  la s t  f e w   y ea r s   w e  h av e  s ee n   an   i n cr ea s ed   i n ter est   i n   m illi m eter - w a v e  C MO S   cir cu its   an d   co m m u n icatio n   s y s te m s   b o th   in   ac ad e m ic  an d   i n d u s tr y   r ese ar ch   ac tiv it y .   T h e  6 0 GHz   f r eq u en c y   b an d   f in d s   attr ac tiv e  f o r   m m - w a v e  d esi g n er s   f o r   w o r ld   w id e  av a ila b ilit y   o f   u n lice n s ed   s p ec tr u m   ar o u n d   6 0 GHz .   C u r r en tl y   in   t h e  n o r m al  f r e q u en c y   b an d s   t h e  i n cr ea s i n g   n u m b er   o f   w ir ele s s   d ev ice s   an d   t h eir   r is i n g   p er f o r m a n ce   r eq u ir e m e n t s ,   th e  u s ab le  f r eq u en c y   s p ec tr u m   i s   v er y   cr o w d ed .   L ar g e  p ar ts   o f   th e  s p ec tr u m   ar e   licen s ed ,   a n d   th e   allo ca ted   b an d s   f o r   s p ec if ic   ap p licatio n s   r eq u ir e  v er y   ad v a n ce d   m o d u la tio n   tec h n iq u es  to   en ab le  h ig h   d ata  tr an s f er   r at es .   C o m m u n icatio n   i s   al s o   h ea v il y   e n co d ed   to   r ed u ce   i n t er f er en ce   b et w ee n   d if f er e n t  ch a n n els  i n   th e  s a m e   b an d   [ 1 ] .   A d v an ce s   in   tec h n o lo g y   in cr ea s e  th e  u s ea b le  s p ec tr u m   b y   e n ab li n g   w ir ele s s   s y s te m s   to   u tili ze   f r eq u en cie s   f ar   in to   t h e  GHz - r a n g e,   at  f a ir l y   lo w   c o s t.  T h e  g lo b ally   u n - l icen s ed     6 0   GHz   b an d   v ar ies  in   s o m e  r eg io n s ,   as  s h o w n   in   Fi g u r e  1 ,   b u t  m o s t  o f   t h ese  r eg io n s   h a v e  a  to tal  b an d w id t h   o f   7   GHz .   T h is   e n ab les  v er y   h ig h   d ata  tr an s f er   r ate s .   Dep en d en t o n   th e  m o d u la tio n   s ch e m e,   7   GHz   b an d w id th   is   ca p ab le   o f   ten s   o f   g ig ab it s   p er   s ec o n d   3 .   Hig h er   ca r r ier   f r eq u en c y   i n cr ea s e s   th e  f r ee   s p ac e  p ath   lo s s   an d     th e  s ig n al  at ten u atio n   i n   m ate r ials .   T h is   m ea n s   s h o r ter   tr an s m i s s io n   r an g e  a n d   t h at  t h e  r e ce iv er   s h o u ld   b e  i n   th e  li n e  o f   s i g h t f r o m   th e  tr a n s m itter .   T h ese  d i s ad v an ta g es  ar e  co n s id er ed   ad v an tag e s   in   ap p lic atio n s   w it h   s h o r t  tr an s m i s s io n   r an g es;   h ig h   atte n u atio n   r ed u ce s   t h e  l ik eli h o o d   o f   in ter f er en ce   o f   s ep ar ate  s y s te m s .   Sh o r t  r an g e  t r an s m is s io n   i s   also   less   s u s ce p tib le  to   ea v esd r o p p in g   s in ce   t h e  r ec eiv er   h as  to   b e  f air l y   clo s e  to   th e  tr an s m itter .     T h e  s h o r t  w a v elen g t h   o f   6 0   GHz   ( 5   m m   i n   v ac u u m ) ,   e n ab les  v er y   s m all  a n te n n a   d im en s io n s .   I n   s o m e   ap p licatio n s ,   t h e  a n te n n a   ca n   b e  in te g r ated   o n   c h ip ,   ac q u ir i n g   a  r e m ar k ab l y   s m all   f o r m   f ac to r   o f   t h e  w ir ele s s   s y s te m .   T h e  f ea s ib il it y   o f   C M OS  tr an s ce iv er   cir c u it s   at  6 0   GHz   p r o v id es  a  p latf o r m   f o r   ac h iev in g   lo w   co s t,   h ig h l y   i n teg r ated ,   h i g h   b an d w id t h ,   h i g h   d ata  r ate  co m m u n icatio n   s y s te m s .   I n   r ec en t  y ea r s ,   a  n u m b er   o f     6 0   GHz   C MO S  b u ild i n g   b lo c k s   a n d   in te g r ated   r ec eiv er s   h a v e  b ee n   d e m o n s tr ated .   Ho w e v er ,   th e  lo w   s u p p l y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       Desig n   o f a   6 0   GHz  p o w er a mp lifi erin   a   4 5 n m  C MOS   ( R a s h mi  S .   B . )   15   v o ltag e,   th in   g a te  o x id e,   lo w  b r ea k d o w n   v o lta g e,   L o s s y   s i lico n   s u b s tr ate,   a n d   p o w er   g ain - o u tp u t   p o w er   tr ad eo f f   o f   C MO S  tec h n o lo g y   r esu lt  i n   th e  m i lli m eter   w av e  p o w er   a m p li f ier   b ein g   th e  m o s t  d if f ic u lt  b lo ck   to   i m p l e m en t  i n   C MO S.  A   n u m b er   o f   6 0   GHz   C MO S  p o w er   am p li f ier s   e m p lo y i n g   d if f er e n t  to p o lo g ies  h a v e   b ee n   r ep o r ted   to   d ate,   h o w e v er   th e  o u tp u t  p o w er   h as  b ee n   r elativ el y   lo w ,   li m iti n g   th e   a m p li f ier s   to   s h o r t - r an g e  ap p licatio n s .   I t  i s   i n cr ea s in g l y   i m p o r tan t  to   u s e  m o r e  ef f icien t  p o w er   co m b in in g   tec h n iq u es   in   o r d er   to   in cr ea s e  t h e  o u tp u t  p o w er   c ap ab ilit y   o f   p o w er   a m p li f ier s   in   o r d er   to   en ab le  m ed i u m   a n d   lo n g - r a n g e   ap p licatio n s .   T h is   r esear ch   ai m s   at  e x p lo r in g   t h e  ch al len g es   f ac in g   t h e  d esig n   an d   i m p le m en tatio n   o f   6 0   GH z  p o w er   a m p li f ier s   i n   s tan d ar d   4 5   n m   C MO S  p r o ce s s es.  T h e  d esig n ,   m o d eli n g ,   an d   la y o u t  o p ti m izatio n   o f   b o t h   p ass iv e  s tr u ct u r es  s u c h   as  i n d u cto r s ,   ca p ac ito r s ,   as  w el l  as  ac tiv e  d ev ice s   o p er atin g   at  6 0   GHz   ar e   in v e s ti g ated .   Di f f er e n t  p o w er   co m b i n i n g   to p o lo g ie s   f o r   g en er atin g   h i g h   o u tp u t  p o w er   f r o m   lo w   R F  p o w er   i s   p r esen ted .   A   P o w er   a m p l if ier   is   a n   elec tr o n ic  d e v ice  t h at   r ec eiv es   an   elec tr ical   s i g n al  f r o m   th e   p r ev io u s   s ta g e   s u c h   as   m o d u lato r   an d   r ep r o ce s s es  it  to   a m p li f y   o r   in cr ea s e   its   p o w er   o u tp u t.  R F  P o w er   A m p li f ier s   ar e  u s ed   in   a   w id e  v ar iet y   o f   ap p licatio n s   in c lu d i n g   W ir eless   C o m m u n ic a tio n ,   T V  tr an s m is s io n s ,     R A D AR   an d   R F  h ea ti n g .   T h e  b asic  b lo ck   d ia g r a m   o f   tr an s ce i v er   is   a s   d ep icted   in   F ig u r e   2   t h e  p o w er   a m p li f ier   is   t h e  f i n al  ac ti v e  co m p o n en t in   tr a n s m itt er   c h ain   [2 - 4] .           Fig u r e  1 .   6 0 GHz   f r eq u en c y   b a n d           Fig u r e  2 .   Gen er ic  b lo ck   d iag r a m   o f   tr an s ce i v er       P o w er   Am p l if ier   is   p ar t  o f   th e  tr an s m i tter   f r o n t - en d   an d   is   u s ed   to   am p li f y   t h e  s i g n al  b ei n g   tr an s m itted   s o   th at  it  ca n   b e  r ec eiv ed   an d   d ec o d ed   w it h o u t   er r o r .   T h e  d esig n   o f   P A s ,   es p ec iall y   f o r   lin ea r ,   lo w - v o lta g e  o p er atio n ,   is   s ti ll  a  d if f icu l t ta s k .   I n   p r ac tice,   P A   d es ig n   h as i n v o lv ed   a  s u b s t an tial a m o u n t o f   tr ial   an d   er r o r ,   th at  i s   w h y   d is cr ete  an d   h y b r id   i m p le m en tati o n s   h av e   tr ad itio n al l y   b ee n   u tili ze d .   T h e  m ai n   o b j ec tiv e  o f   d esi g n i n g   a  p o w e r   a m p li f ier   i s   to   ac h ie v e  p o w e r   g ai n ,   t h e  o u tp u t  i m p ed an ce   o f   p o w er   a m p li f ier   n ee d   to   b e   m atc h ed   w ith   t h e  i n p u t  i m p ed a n ce   o f   an te n n a  f o r   m a x i m u m   p o w er   tr an s f er   an d   f in all y   t h e  o u tp u t   i m p ed an ce   o f   p r ev io u s   s ta g e  n ee d   to   b e  m atch ed   w it h   i n p u t i m p ed a n ce   o f   p o w er   a m p li f ier   [ 5 ,   6 ] .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :2 0 8 9 - 4 864   I nt   J   R ec o n f i g u r ab le   &   E m b ed d ed   S y s t   V o l.  8 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 9 : 16   –   26   16   2.   DE S I G N  M E T RICS   F O R  P O WE R  AM P L I F I E R   T h e  m ai n   p er f o r m a n ce   p ar am eter s   f o r   th e  p o w er   a m p l if i er   ar e  th e  lev el  o f   o u tp u t  p o w er   it  ca n   ac h iev e,   d ep en d i n g   o n   th e  tar g eted   ap p licatio n ,   lin ea r it y ,   a n d   ef f icie n c y .   T h er e  ar e  t w o   b asic  d ef in i tio n s   f o r   th e  ef f icie n c y   o f   t h e  P A .     2 . 1 .   E f f iciency   Gen er all y   th e  e f f icie n c y   is   d ef in ed   as  t h e  r atio   o f   o u tp u t  p ar a m eter   to   th e  i n p u t  p ar a m eter .   I n   p o w er   a m p li f ier   th er e  ar e  b asicall y   t w o   t y p e s   o f   ef f ic ie n c y .   a.   T he  dra i n e f f iciency : T h e  d r ain   e f f icien c y   i s   t h e  r atio   b et w e en   t h e  R F o u tp u t  p o w er   to   th e   d c  co n s u m ed   p o w er .   b.   T he  po w er   a dd ed  ef f iciency ( P AE ) :  T h e  p o w er   ad d ed   ef f ic ien c y   is   t h e  r atio   b et w ee n   t h e   d if f er e n ce   o f   th e  R F o u tp u t p o w er   an d   th e  R F i n p u t p o w er   to   t h e  d c  co n s u m ed   p o w er .   P A E   is   d ef i n ed   b y   ( 1 ) .     DC IN RF O UT RF P P P P A E , ,   ( 1)     T h e  P A E   is   a  m o r e  p r ac tical  m ea s u r e  as  it  ac co u n ts   f o r   th e  p o w er   g ai n   o f   th e   a m p lif ier .     As th e  p o w er   g ai n   d ec r ea s es,  m o r e  s tag e s   w ill b e  r eq u ir ed .   Sin ce   ea c h   s ta g e  w ill  co n s u m e   a  ce r tain   a m o u n t o f   p o w er ,   th e  o v er all  p o w er   co n s u m p tio n   w ill i n cr ea s e,   t h u s   d ec r ea s in g   th e  o v er al l e f f icie n c y .     2 . 2 .   1 - dB   Co m pres s io n P o int   T h is   p ar am eter   q u an tifie s   th e  l in ea r   p o w er   h an d li n g   ca p ab ilit y   o f   an   a m p li f ier .   I t  is   r ef er r ed   as  s ig n a l   po w er   at  w h ich   t h e  s m a ll  s i g n al  g ain   is   co m p r es s ed   b y   1 - d B .   I f   th e  s i g n al  p o w er   i s   o u tp u t  it  i s   ca lled   a s   o u tp u t  1 - d B   co m p r ess io n   p o in t( OP 1dB ) .   I f   s i g n al  p o w er   i s   r ef er r ed   as  in p u t  it  i s   ca ll ed   as  in p u t  1 - d B   co m p r es s io n   p o in t  ( IP 1dB ) .   T h e  o u tp u t a n d   i n p u t c o m p r es s io n   p o in ts   ar e  r elate d   b y   ( 2 ) .      dB dB IP G OP 1 1     2 . 3 .  P o w er   G a in   P o w er   Gai n   is   d ef in ed   as      in L P P G                                                                                          (2 )     T r an s d u ce r   g ain   G T   i s   d ef i n ed   as      a L T P P G                                                                                                (3 )     Av ailab le  g a in   G A   i s   d ef i n ed   as     a AT A P P G                                                                                                                          (4 )   2 . 4 . L inea rit y   T h e  lin ea r it y   is s u e  e x i s ted   d ep en d in g   th e   t y p e  o f   m o d u lati o n   s c h e m e   in co r p o r ated   in   m o d u latio n .   I n   tr an s m itter   s ec t io n   i f   t h e  a m p lit u d e  m o d u latio n   is   i n co r p o r ated   th en   t h e  p o w er   a m p li f i er   n ee d   to   b e  lin ea r   r eg io n .   I n   p o w er   a m p l if ier   t h e   tr ad e - o f f   e x is t  b et w ee n   ef f ici en c y   a n d   lin ea r it y .   A s s u m e  t h at  th e  in p u t  g i v e n   to   d esig n ed   p o w er   a m p li f ier   is   a m p lit u d e  m o d u lated   w av e( V in ( t) ) ,   if   th e   p o w er   a m p li f ier   is   h ig h l y   n o n   lin ea r   in   n atu r e.   T h en   o u tp u t o f   t h e  a m p lif ier   V d   is   g iv e n   b y ;     ) ( ) ( ) ( ) ( 3 3 2 2 1 t V a t V a t V a t AV V in in in in d   (5 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       Desig n   o f a   6 0   GHz  p o w er a mp lifi erin   a   4 5 n m  C MOS   ( R a s h mi  S .   B . )   17   T h is   n o n   li n ea r it y   n ee d   to   b e  m in i m ized   i n   a m p li tu d e   m o d u lated   o u tp u t  f o r   r ec o v er in g   t h e   in f o r m atio n   p r ese n t i n   th e   e n v elo p   o f   th e  o u tp u t.     2 . 5 .   Adj a ce nt  Cha nn el  P o w e r  Ra t io ;   ACP R   T h is   s p ec if icatio n   p ar a m eter   i s   in   as s o ciatio n   w i th   li n ea r it y .   I t is g i v en   b y ;     ) ( f P P A CPR   (6 )     I t  is   d ef in ed   as  th e  r atio   o f   th e  p o w er   tr an s m it ted   in   th e  ch an n el  o f   i n ter est  to   th e  p o w er   tr an s m i tted   in   th e   ce r tain   o f f s et  f r eq u e n c y .     2 . 6 . H e a t ing   B atter y   o p er atio n   is   o n e  i m p o r tan t  r ea s o n   f o r   in cr ea s i n g   p o w er   ef f icie n c y .   T h e  h ig h er   th e  e f f icien c y ,   th e  lo n g er   th e   s ta n d b y   ti m e   a n d   tal k   ti m e.   Alo n g   w it h   th e s e  is s u es   o n e  m o r e  i m p o r tan t  r ea s o n   to   i m p r o v e  u p   o n   o p ti m al   ef f ic ien c y   i s   t h e  h ea ti n g   p r o b lem .   T h e  m a x i m u m   o u tp u t  p o w er   is   n o t  li m i ted   b y   h ea t  it   ca n   d is s ip ate.   T h e  r atio   o f   o u tp u t  p o w er   to   th e  h ea t  it  ca n   d is s i p ate  is         .   I f   a  tr an s is to r   is   ab le  to   d is s ip ate  1 W   p o w er   s af e l y ,   t h e n   clas s   A   P A   ca n   o u tp u t  a  p o w er   o f   0 . 5 3 W .   if   class   C   P A   is   c h o s e n   th en   it  ca n   o u tp u t  3 W   o u tp u t  p o w er   at  s a m e  h ea ti n g .   I t  is   clea r l y   d e m o n s tr ates  th at  co m p ar ed   to   class   A ,   cl ass   C   ca n   p r o d u ce   h ig h e s t o u tp u t p o w er .   T h e  th e r m al  r esis ta n ce   i s   d ef i n ed   as                                   w h er e T j   is   m ax i m u m   j u n ctio n   te m p er atu r e,   T c   is   ca s e  te m p er atu r e.   I n   d esig n in g   a  p o w er   a m p lifie r ,   th e  d esig n er   h as  to   ch o o s e  th e  n u m b er   o f   s ta g es,  th e  o p er atin g   class   o f   ea ch   s tag e,   d eter m i n e  th e  o p tim u m   lo ad   o f   th e  o u tp u t  s tag e,   an d   d ec id e  w h e th er   to   u s e  d if f er en tial  o r   s in g le  e n d ed   s tr u ct u r e.   T h es e  is s u es   d ep en d   o n   th e   u s ed   tech n o lo g y ,   t h e  k i n d   o f   m o d u latio n   ( co n s tan t  en v elo p e  o r   n o n   co n s ta n t  en v elo p e  tech n iq u e)   an d   w h e th er   th e  a m p li f ier   w ill  b e  in te g r at ed   w it h   th e  w h o le   tr an s ce i v er   o r   w ill b e  o n   a  s ep ar ate  ch ip .       3.   T RANS I S T O R  M O DE L   I n   R FIC ’ s   d esi g n   tr an s is to r s   ar e  n o r m all y   b iased   a t   a  co n s tan t  d r ain   cu r r en t   d en s it y .   T h e  tr an s is to r ’ s   p o w er   co n s u m p tio n   n o r m al l y   a  r es u lt an t  o f   c u r r en t  a n d   d r ain - s o u r ce   v o lta g e  V DS .    Fu r t h er   VGS  is   ap p lied   to   ac h i ev e  d esire d   cu r r en t d en s it y   a n d   it h as n o   ef f ec t o n   d is s ip ated   d c  p o w er .     3 . 1 .   T esting   Acc ura cy ,   P re ci s io n,  a nd   Rec a ll   T o   ch ar ac ter ize  tr an s is to r s   R F  p er f o r m an ce   at  a  c h o s en   b ias  p o in t  f o llo w i n g   f i g u r e  o f   m er it  ar e  e m p lo y ed .   a.   C u t - o f f   f r eq u e n c y   f T   b.   Ma x i m u m   o s cil latio n   f r eq u e n c y   f m a x   An   ev al u atio n   o f   f T   an d   f m ax   p er f o r m a n ce   f o r   s elec ted   MO SF E T   f r o m   g p d k 4 5   lib r ar y .   Fig u r e  3   d ep icts   th e   f T   i s   p lo tted   a g ai n s t   d if f er en t  g ate - s o u r ce   v o lt ag e  V g s .   Fi g u r e   4   s h o w s   th e   cu r r en t   d en s it y   i s   p lo tted   ag ain s t  cu to f f   f r eq u e n c y   f T .   T h is   p lo t  en s u r e s   th e  m ax i m a  o f   f T   is   ac h iev ed   f o r   a  cu r r en t  d en s it y   o f m A/u m .   T h is   p r o v es t h e  s el ec ted   MO S c an   y ie ld   a  lo w   p o w er   co n s u m p tio n   a n d   h i g h   f r e q u en c y   g ai n .     Fig u r e  5   s h o w s   th e   s i m u late d   DC   tr a n s f er   ch ar ac ter i s tics   o f   a  n m o s 1 v   n - c h an n el  M O SF E T   w it h   L =4 5 n m   g ate  le n g t h .   T h e  g r a p h   d ep icts   t h e  p i n ch - o f f   v o lta g e  o f   MO S FET   is   ar o u n d   2 5 0 - 2 8 0 m V.   Fi g u r e   6   o u tp u t  c h ar ac ter is tic s   o f   4 5 n m   n m o s 1 v   n - c h a n n e l  MO S F E T   b ased   o n   th e  s i m u lat io n   u s i n g   g p d k   m o d els.     Her e  to   b ias  th e  p o w er   a m p l i f ier   i n   clas s   A B   co n f i g u r atio n   it  n ee d   to   b e  b iased   at  V g s =0 . 4 V  an d   Vd s =1 V  w h ic h   y ield s   a  cu r r en t d en s it y   o f   5 0 0 u A / u m .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :2 0 8 9 - 4 864   I nt   J   R ec o n f i g u r ab le   &   E m b ed d ed   S y s t   V o l.  8 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 9 : 16   –   26   18           Fig u r e  3 .   f T   v er s u s   g ate  s o u r ce   v o ltag e   F ig u re   4 .   C u rre n t   d e n sity   v e rsu s c u t - o f f   f re q u e n c y               Fig u r e  5 .   No r m alize d   D C   tr an s f er   ch ar ac ter i s tic  o f   4 5 n m   n m o s 1 v   n - c h an n el  MO SF E T   b ased   o n   s i m u lat io n   u s i n g   g p d k   m o d els   Fig u r e  6 .   Ou tp u t c h ar ac ter is tic s   o f   4 5 n m   n m o s 1 v   n - ch an n el  MO SF E T   b ased   o n   t h e  s i m u latio n   u s in g     g p d k   m o d els       4.   P RO P O SE D  M E T H O DO L O G Y   T h e  g en er al  d esi g n   p r o ce s s   o f   p r o p o s ed   p o w er   a m p li f ier   is   co n ce p tu alize d   as  d ep icted   i n   F ig u r e  7 .   I n   s ec tio n   3   DC   b ia s in g   i s s u es  w er e  ad d r ess ed   f o r   d esig n i n g   clas s   A B   p o w er   a m p li f ier   f o r   lo w   p o w er   d is s ip atio n .   T h e  cir cu it  d ia g r a m   o f   p r o p o s ed   class   A B   p o w er   a m p li f ier   w it h o u t  d c  b i asin g   cir cu it  u s in g   n m o s 1 v   n - c h a n n el  g p d k 4 5   m o d el  f ile  is   s h o w n   in   F ig u r e  8 .           Fig u r e  7 .   D esig n   p r o ce s s es  f o r   p o w er   a m p lifie r   d esig n     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       Desig n   o f a   6 0   GHz  p o w er a mp lifi erin   a   4 5 n m  C MOS   ( R a s h mi  S .   B . )   19       Fig u r e  8 .   P r o p o s ed   class   A B   p o w er   a m p li f ier   ( w it h o u t d c  b iasi n g )       T h e  cir cu it  d ia g r a m   o f   C las s   A B   p o w er   a m p li f ier   i s   d e p icted   in   F ig u r e  8   f o r   th e   u n l icen s ed   f r eq u en c y   o f   6 0 GHz .   I t  en d u r es  th r ee   FET s   n a m el y   M 1 ,   M 2 ,   an d   M 3 . T h e  p r o p o s ed   P A   co m p r i s es  o f   co m m o n   s o u r ce   d r iv er   s ta g e  p r o ce ed ed   b y   ta n k   cir c u it.  T h is   a n ato m y   s h o w s   b etter   r es u lt s   o p er ati n g   at  6 0 GHz   w it h   m atc h in g   i n p u t  an d   o u tp u t  i m p ed a n ce .   T h e  in p u t  s id e  o f   th e  p o w er   a m p li f ier   is   m atc h ed   to   an   ar b itra r y   i m p ed an ce   o f   5 0 o h m s   a n d   o u tp u t  s id e  i s   m atc h ed   to   an ten n a  i m p ed an ce   o f   7 3 o h m .   I n   th e  in ter est  o f   m i n i m izi n g   D C   v o lta g e  d r o p   an d   to   elev ate  th e  AC   g ain   o f   th e  a m p l if ier   a  tan k   c ir cu it  is   u s ed   w h ic h   e m b o d ies  L 5   an d   M2 .   T r an s is to r   M 1   is   b ia s ed   i n   s at u r atio n   r eg io n   to   w o r k   a s   a  c u r r en t   d ev ice  b y   d eli v er in g   a   lar g e  v al u e  o f   c u r r en t.  T h e  s el ec tio n   o f   b iasi n g   v o lta g e  i s   d ec k ed   ac co r d in g l y   to   th e  n ec es s ar y   cir cu m s t an ce s   f o r   o p er atin g   i n   C la s s   A B .   T h e  co m m o n   s o u r ce   co n f ig u r atio n   in d u ce s   h ig h   g ain   w h ich   is   e n tailed   f o r     th e  a m p li f ier .   T h e  lar g e  i n p u t   AC   s i g n al   ( V  in )   is   g iv e n   to   tr an s i s to r   M1   t h en   t h e  o u tp u t   ( V  out )   i s   d r a w n   f r o m   th e  d r ain   o f   M1   an d   tan k   cir cu itr y   r es p ec ti v el y .   Si n ce   s il i co n   Me tal  o x id e  s e m ico n d u ct o r   is   an   im p er f ec t  cu r r en t  d r i v e  m o d e  o f   p r o d u ctio n ,   w h er e  it   ca n   m o d i f y   t h e  p er f o r m a n ce   o f   c ir cu it   eit h er   b y   in cr ea s in g     th e  a m p lit u d e  o f   t h e  i n p u t  s i g n al   o r   b y   d ec r ea s in g   t h e  d e v ice  ar ea .   I m p ed an ce   m atc h i n g   at  i n p u t  b ec o m e s   v er y   p r ed o m i n an t  a t  h ig h   f r eq u en cie s ;  t h e  s i g n al  m i g h t  f ai r l y   r ef lect   b ac k   i n   f u t u r e  f r o m   lo ad   to   s o u r ce   i f   m atc h in g   h ap p en s .     T h e  in p u t  i m p ed an ce   m atc h i n g   cir cu it  f o r   th e  p r o p o s ed   cir cu it  co m p r i s es  o f   L 1 ,   L 2 ,   L 3 ,   C 1 ,   C 2 ,   an d   C 3 .   T h e  d eta iled   m atch in g   n et w o r k   is   as   d ep icted   in   f ig u r e .   Fin all y   an   i n p u t   m atc h i n g   n et w o r k   is   as s i m ilated   f o r   m ax i m u m   p o w er   tr an s f er   ( d B m ) .   T h e  o u tp u t  m atch in g   i s   a  s i m p le  L   n et w o r k   to   ad d r e s s   th e  ar ea   is s u e  o f   p o w er   a m p lifie r .   P er f o r m a n c e  p ar am eter s   o f   P A   s u c h   as   g ain ,   ef f icie n c y ,   lin ea r it y .   Su b s ta n tial  b y p as s   ca p ac ito r s   ar e  u s ed   to   is o lat e  b ias  cir cu it   an d   s u p p l y .   C 1   is   th e   co u p li n g   ca p ac ito r   at  th e  i n p u t  s ta g e.   T h e  MO SF E T   M 3   ca n   o p er a te  as  th e  d io d e  c o n n ec ted   r esis to r   if   th e  g ate  a n d   d r ain   o f   MO S  ar e  s h o r ted .   T h e   r esis tan ce   o f   d io d e  co n n ec ted   lo ad   M3   is   eq u al  to   1 / g m .   T h e  s m all  s i g n al   m o d el  o f   n m o s 1 v   M OSFET   f r o m   g p d k 4 5   tec h n o lo g y   at  r a d io   f r eq u en c y   is   s h o w n   i n   F ig u r e  9 . T h e  in p u t  a n d   o u tp u t   m atch i n g   n e t w o r k   i s   s h o w n   in   F ig u r e s   1 0   an d   1 1   r e s p ec tiv el y .             Fig u r e  9 .   S m all  s ig n al  m o d el  o f   n m o s 1 v   MO SF E T   at  R F   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :2 0 8 9 - 4 864   I nt   J   R ec o n f i g u r ab le   &   E m b ed d ed   S y s t   V o l.  8 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 9 : 16   –   26   20       Fig u r e  1 0 .   I n p u t  m atc h i n g   n et w o r k       I n   d esig n i n g   a m p li f ier   t h e  f le x ib ilit y   g iv e n   to   d esig n er   is   i n p u t  an d   o u tp u t  m a tch i n g .   T h e  in p u t  s id e   s h o u ld   b e  m atc h ed   to   s o u r ce   an d   o u tp u t  s id e  is   m atc h ed   to   lo ad   in   o r d er   to   d eliv er   m a x i m u m   p o w er   to   lo ad .   On ce   t h e  i n p u t  a n d   o u tp u t  m a tch i n g   n et w o r k   is   d esi g n ed   th e  r ef lectio n   co e f f icien t  at  ea ch   p o r t  is   co r r elate   to   th e  co m p le x   co n j u g ate  a s   s h o w n   i n   ( 7 )   an d   ( 8 ) .       ( 7 )       ( 8 )     T o   g et  m in i m u m   n o i s e  F i g u r e  u s i n g   tr an s is to r   t h e  p o w er   r ef lectio n   co ef f icie n t  s h o u ld   m atc h   w it h   ┌ out *   an d   lo ad   r ef lectio n   co ef f i cien t s h o u ld   m atc h   w it h   ┌ out .       ( 9 )     T h e  o v er all  p er f o r m a n ce   o f   p o w er   a m p lifie r   is   d eter m i n ed   b y   ca lcu lati n g   GT .   T h e  p r o p o s ed   p o w er   a m p li f ier   MO SF E T   w o r k s   at   a  p o w er   s u p p l y   v o ltag e  o f   1 . 8 V.   I t  is   d esig n ed   to   d eliv er   a  o u tp u t  p o w er   o f   1 0 m W .   I t  e n s u r es   th e   P 1 d B   o f   1 1 . 7 d B   an d   ┌ opt   o f   0 . 8 1 5 + j 0 . 2 2 0 9 .   T h e  s tab ilit y   o f   t h e  d e s ig n   is   en s u r ed   w ith   th e  eq u atio n   g i v e n   ( 10 )   an d   ( 11 ) .     21 12 2 2 22 2 11 2 1 S S S S K =1 . 5 7 >1   ( 1 0 )     21 12 22 11 S S S S =0 . 1 9 <1   ( 1 1 )     T h e  eq u atio n   f o r   K  an d   en s u r es  th e  u n co n d itio n al  s tab ili t y   o f   th e  cir cu it.  Fro m   t h e  f ig u r e  it   ar b itra r y   a s s u m ed   t h at  t h e  c u r r en t  d en s it y   co n s id er ed   f o r   cla s s   A B   p o w er   a m p li f ier   i s   4 5 0 u A / u m .   T o   en h a n ce   th e  g ai n   a n d   m ai n tain   t h e  P 1 d B   an d   n o i s e  f i g u r e  n u m b er   o f   ac tiv e  a m p li f y in g   s ta g es   ar e  i n cr ea s ed .   Fo r   o u tp u t   m atc h in g   a  s i m p le  L   s h ap e  n et w o r k   i s   d esig n ed .   T h e  o u tp u t i m p ed a n ce   o f   p o w er   a m p li f ier   is   g i v e n   b y ;     p a r a t m out Z Z Z r Z || || || 0   ( 1 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       Desig n   o f a   6 0   GHz  p o w er a mp lifi erin   a   4 5 n m  C MOS   ( R a s h mi  S .   B . )   21           Fig u r e  1 1 .   Ou tp u t  m atch in g   n et w o r k       T o   m atc h   t h is   i m p ed an ce   to   a n ten n a  lo ad   i m p ed an ce   t h e  f o l lo w i n g   L C   co m p o n e n ts   ar e  ta b u lated   in   T ab le  1 .       T ab le  1 .   L C   C o m p o n e n t s   Ou t p u t M atch i n g   L   C   8 0 P H   5 f F   1 2 5 P H   8 f F       5.   SI M UL AT I O N  R E S UL T S   T h e  s i m u latio n   o f   p r o p o s ed   p o w er   a m p li f ier   i s   d o n e  b y   u s in g   4 5   n m   C MO S  tech n o lo g y   u s i n g   C ad en ce   v ir tu o s o .     5 . 1 .   S - pa ra m et er   Ana ly s i s   T h e  ab b r ev iatio n   S  r ef er s   to   s ca tter in g .   T h r o u g h o u t  t h e  h i g h   f r eq u e n cie s ,   it  is   f a v o r ab le  to   co n s tr u ct   a  g i v en   n et w o r k   i n   ter m s   o f   m icr o w av e s   t h an   w it h   v o ltag es  o r   cu r r en t s .   I n   o cc u r r en ce ,   if   w e  h a v e  2   p o r ts ,   th en   S1 1 ,   S1 2 ,   S2 1   an d   S2 2   r ep r esen ts   i n p u t  v o ltag e   r ef le ctio n ,   r ev er s e   v o lta g e  g ai n ,   f o r w ar d   v o lta g e  g ai n   an d   o u tp u t  v o ltag e  r e f lectio n   r esp ec tiv el y .   S - p ar a m eter s   i n ter p r et  th e   in p u t - o u tp u t  a n al o g y   i n   th e  m id s t  o f   p o r ts   in   an   elec tr ical  s y s te m .   S 1 1 .           Fig u r e  1 2 .   S i m u latio n   r es u lt o f   S1 1       E x p r ess es  p o w er   ec h o ed   f r o m   th e  a n te n n a,   A cc o r d in g l y   th e  in p u t  r etu r n   lo s s   ( S1 1 )   s i m u lated     is - 1 8 d B   at  6 3 GHz   as  d ep icte d   in   Fig u r e   1 2 .   T h r o u g h   d esi g n i n g   in p u t  m atc h i n g   cir cu it  f o o lp r o o f   m a x i m u m   S1 1   ca n   b e  ac co m p li s h ed .   E x t en d ed   w it h   t h e  ab o v e  f r a m e wo r k ,   th e  p r o p o s ed   P A   attai n s   a n   av er a g e  g ai n   S2 1   o f   1 0 d B   at  6 3 GHz   w h ic h   is   r e co g n ized   as  f o r w ar d   tr an s m i s s i o n   co ef f icien t.  I s   d ep icted   in   F ig u r e  1 3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :2 0 8 9 - 4 864   I nt   J   R ec o n f i g u r ab le   &   E m b ed d ed   S y s t   V o l.  8 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 9 : 16   –   26   22       Fig u r e  1 3 .   Fo r w ar d   g ai n   S2 1       5 . 2 .   P o w er   Ana ly s is   5 . 2 . 1 . P AE   P o w er   ad d ed   ef f icie n c y   i s   t h e  ef f icien c y   o f   t h e  n et w o r k   to   c o n v er t i n p u t d c  p o w er   in   to   o u tp u t  p o w er   w it h   ad d itio n al  R F  p o w er   t h e   an alo g o u s   e x ter io r   p lo t  o f   PA E   i s   g i v e n   i n   Fi g u r e   1 4 .   Fo r   th e  p r o p o s ed   P A    th e  a ch ie v ed   P A E   is   ab o u t 2 3 %.           Fig u r e  1 4 .   Po w er   ad d ed   ef f ici en c y   o u tp u t       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       Desig n   o f a   6 0   GHz  p o w er a mp lifi erin   a   4 5 n m  C MOS   ( R a s h mi  S .   B . )   23   5 . 2 . 2 .   P o w er   Sp ec t ru m   T h e  p r o p o s ed   p o w er   a m p lifie r   p r o d u ce s   an   m o d er ate  p o w er   at  th e  d esi g n ed   f r eq u en c y   as s h o w n   i n   th e  Fi g u r e  15 .           Fig u r e1 5 .   P lo t  o f   p o w er       5 . 2 . 3 .  P o w er   G a in   It   is   th e  r atio   o f   th e  p o w er   d eli v er ed   to   th e  lo ad   to   th e  p o w er   in p u t.  T h e  s o le  i n p u t a n d   o u tp u t c ir cu its   h av e  b ee n   w ei g h ed   f o r   th e  lo ad   p o w er s .   T h ey   o cc asio n all y   d esig n ate  to   b e  th e  r atio   o f   th e  s ig n al  a m p li tu d e  o r   p o w er   at  th e  o u tp u t  p o r t  to   t h e  a m p l itu d e  o r   p o w er   at  t h e   in p u t  p o r t.  T h e y   ar e  f r eq u e n tl y   i n d icate d   u s in g     th e  lo g ar it h m ic  d ec ib el  ( d B )   u n its   ( " d B   g ain " )   o f   4 d B m   h as  b ee n   ac h ie v ed   as sh o w n   i n   th e   Fig u r e   16.           Fig u r e  1 6 .   P lo t  o f   p o w er   g ain     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.