This dissertation reports the design of THz amplifiers using the concept of Maximum Achievable Gain ($G_{max}$) of a transistor embedded in a linear, lossless, reciprocal network for signal amplification at 200-300GHz sub-terahertz band. In order to overcome the limitations of low gain, narrow band, and single band operating characteristics of the previously reported amplifiers, this dissertation describe the design of three types of amplifiers incorporating the concept of maximum achievable gain in 65nm CMOS process.
Firstly, a dual-peak $G_{max}$core design technique in a single transistor to achieve high gain over wide frequency range is proposed. The gain of transistor can be boosted over wide frequency range by satisfying the optimum condition for achieving $G_{max}$ at two different frequencies simultaneously, with the same size set of lumped elements for a linear, lossless, reciprocal embedding network.
Secondly, the design technique of optimized $G_{max}$-core is proposed which not only amplifies the intrinsic gain of transistor to $G_{max}$ but also takes into account the inter-stage matching. Adopting the optimized $G_{max}$-core, matching loss and chip area are reduced, which result in high gain.
Thirdly, the design technique of dual-band amplifier adopting dual-peak $G_{max}$-core and dual-band matching is proposed. This amplifier demonstrated dual-band operation for the first time among other amplifiers operating above 200GHz.
이 논문에서는 200-300GHz 서브 테라헤르츠 대역에서 신호를 증폭하기 위해, 선형, 무손실, 가역 네트워크를 트랜지스터에 내장하여 최대 달성 가능 이득을 갖는 개념을 도입한 테라헤르츠 증폭기 설계에 대해 보고한다. 기존의 보고된 증폭기들의 낮은 이득, 협대역, 단일 대역 동작 특성 등의 한계점을 극복하기 위해, CMOS 65nm 공정에서 최대 달성 가능 이득 개념을 도입한 세가지 타입의 증폭기의 설계에 대해 설명한다.
첫째로, 넓은 주파수 범위에서 높은 이득을 달성하기 위해 단일 트랜지스터에서 듀얼 피크 $G_{max}$ 코어 설계 기법을 제안한다. 트랜지스터의 이득은 동일한 선형, 무손실, 가역 네트워크만을 사용하여 서로 다른 두 주파수에서 동시에 $G_[max}$를 달성하기 위한 최적 조건을 만족시킴으로써, 넓은 주파수 범위에서 이득이 증폭될 수 있다.
둘째로, 트랜지스터의 이득을 $G_{max}$로 증폭시킬 뿐만 아니라 단간 매칭까지 고려한 최적화 된 $G_{max}$ 코어 된 설계 기법을 제안한다. 최적화 된 $G_{max}$ 코어를 채택함으로써 매칭 손실과 칩 면적이 줄어 들어 높은 이득을 얻을 수 있다.
셋째로, 듀얼 피크 $G_{max}$ 코어 및 듀얼 밴드 매칭을 채택한 듀얼 밴드 증폭기의 설계 기법이 제안되었다.이 증폭기는 200GHz 이상에서 동작하는 보고된 CMOS 증폭기 중, 최초로 듀얼 밴드 증폭이 가능하다.