Integrated Limiting Amplifier for a 60 GHz Radio Receiver

Matalammilla alle 10 GHz taajuuksilla käydään kovaa kilpailuaradiotaajuusalueista. Korkeammalla 60 GHz taajuusalueella on edelleen tilaajärjestelmille, joilla tavoitellaan suuria tiedonsiirtonopeuksia. Viime vuosien aikana on aktiivisesti tutkittu 60 GHz radiopiirejä. Pienillä etäisyyksillä laajakaistainen langaton lähiverkko (WLAN) on hyvin mahdollinen sovelluskohde. Korkeilla taajuuksilla on aikaisemmin ollut ongelmana tekniikoiden kalleus massatuotteita ajatellen. Viivanleveyden pienentyessä on tullut mahdolliseksi toteuttaa myös 60 GHz piirejä CMOS-teknologialla, joka mahdollistaa koko radion integroinnin yhdelle puolijohdepalalle. Tässä diplomityössä suunniteltiin ja toteutettiin laajakaistainen rajoittavavahvistin osaksi yhdelle mikrosirulle integroidun 60 GHz radiovastaanottimenkantataajuusosia modernilla 65 nm CMOS-teknologialla. Rajoittavan vahvistimen tehtävänä on toimia yksibittisenä analogia-digitaalimuuntimena. Vastaanotinta on tarkoitus hyödyntää sellaisissa laajakaistaisissa tiedonsiirtojärjestelmissä, joissa käytetään vakioverhokäyräisiä modulaatiomenetelmiä. Suunnitellussa vastaanottimessa tavoitteena oli saavuttaa 2 GHz signaalikaistanleveys, joka tarkoittaa 1 GHz kaistanleveysvaatimusta I- ja Q-haaran kantataajuusosille. Työssä haastavinta oli löytää sopiva kompromissi rajoittavan vahvistimen vahvistuksen ja kaistanleveyden välille. Rajoittavalle vahvistimelle saatiin vahvistusta 32 dB ja sen kaistanleveydeksi simuloitiin 1,1 GHz. Simulointituloksien perusteella tavoitteissa onnistuttiin hyvin.There already coexist several wireless communications systems at frequencies lower than 10 GHz. At a higher 60-GHz frequency range, there is an unlicensed band offering the possibility of data communication at high data rates. During recent years, 60-GHz radio circuits have raised extensive research interest in academia. In small distances, 60-GHz radios can be utilized, for example, in wireless local area network (WLAN) applications. Formerly, high frequency circuits could be integrated only in expensive processes unsuitable for mass production. With the diminishing channels lengths of transistors, it has become possible to implement also 60-GHz circuits in a CMOS technology, which enables the integration of a whole radio transceiver on a single chip. In this Master's Thesis, a wideband limiting amplifier was designed and implemented as a part of the baseband circuit of a single-chip 60-GHz radio receiver in a modern 65-nm CMOS technology. In the receiver, the limiting amplifier operates as a 1-bit analog-to-digital converter (ADC). The implemented receiver is aimed at wideband wireless communications systems in which constant-envelope modulation techniques are utilized. The target was to achieve a 2-GHz signal bandwidth leading to a 1-GHz bandwidth requirement for the I/Q baseband channels of the receiver. In this thesis, it was challenging to compromise with the required gain and the bandwidth of the limiting amplifier. The simulated gain and the bandwidth of the designed limiting amplifier are 32 dB and 1.1 GHz, respectively. According to the simulation results, the targeted performance of the limiting amplifier was achieved

A robust 2.4 GHz time-of-arrival based ranging system with sub-meter accuracy: feasibility study and realization of low power CMOS receiver

Draadloze sensornetwerken worden meer en meer aangewend om verschillende soorten informatie te verzamelen. De locatie, waar deze informatie verzameld is, is een belangerijke eigenschap en voor sommige toepassingen, zoals het volgen van personen of goederen, zelfs de meest belangrijke en mogelijkmakende factor. Om de positie van een sensor te bepalen, is een technologie nodig die de afstand tot een gekend referentiepunt schat. Door verschillende afstandsmetingen te combineren, is het mogelijk de absolute locatie van de node te berekenen

CMOS radio frequency circuits for short-range direct-conversion receivers

The research described in this thesis is focused on the design and implementation of radio frequency (RF) circuits for direct-conversion receivers. The main interest is in RF front-end circuits, which contain low-noise amplifiers, downconversion mixers, and quadrature local oscillator signal generation circuits. Three RF front-end circuits were fabricated in a short-channel CMOS process and experimental results are presented. A low-noise amplifier (LNA) is typically the first amplifying block in the receiver. A large number of LNAs have been reported in the literature. In this thesis, wideband LNA structures are of particular interest. The most common and relevant LNA topologies are analyzed in detail in the frequency domain and theoretical limitations are found. New LNA structures are presented and a comparison to the ones found in the literature is made. In this work, LNAs are implemented with downconversion mixers as RF front-ends. The designed mixers are based on the commonly used Gilbert cell. Different mixer implementation alternatives are presented and the design of the interface between the LNA and the downconversion mixer is discussed. In this work, the quadrature local oscillator signal is generated either by using frequency dividers or polyphase filters (PPF). Different possibilities for implementing frequency dividers are briefly described. Polyphase filters were already introduced by the 1970s and integrated circuit (IC) realizations to generate quadrature signals have been published since the mid-1990s. Although several publications where the performance of the PPFs has been studied either by theoretical calculations or simulations can be found in the literature, none of them covers all the relevant design parameters. In this thesis, the theory behind the PPFs is developed such that all the relevant design parameters needed in the practical circuit design have been calculated and presented with closed-form equations whenever possible. Although the main focus was on twoand three-stage PPFs, which are the most common ones encountered in practical ICs, the presented calculation methods can be extended to analyze the performance of multistage PPFs as well. The main application targets of the circuits presented in this thesis are the short-range wireless sensor system and ultrawideband (UWB). Sensors are capable of monitoring temperature, pressure, humidity, or acceleration, for example. The amount of transferred data is typically small and therefore a modest bit rate, less than 1 Mbps, is adequate. The sensor system applied in this thesis operates at 2.4-GHz ISM band (Industrial, Scientific, and Medical). Since the sensors must be able to operate independently for several years, extremely low power consumption is required. In sensor radios, the receiver current consumption is dominated by the blocks and elements operating at the RF. Therefore, the target was to develop circuits that can offer satisfactory performance with a current consumption level that is small compared to other receivers targeted for common cellular systems. On the other hand, there is a growing need for applications that can offer an extremely high data rate. UWB is one example of such a system. At the moment, it can offer data rates of up to 480 Mbps. There is a frequency spectrum allocated for UWB systems between 3.1 and 10.6 GHz. The UWB band is further divided into several narrower band groups (BG), each occupying a bandwidth of approximately 1.6 GHz. In this work, a direct-conversion RF front-end is designed for a dual-band UWB receiver, which operates in band groups BG1 and BG3, i.e. at 3.1 – 4.8 GHz and 6.3 – 7.9 GHz frequency areas, respectively. Clearly, an extremely wide bandwidth combined with a high operational frequency poses challenges for circuit design. The operational bandwidths and the interfaces between the circuit blocks need to be optimized to cover the wanted frequency areas. In addition, the wideband functionality should be achieved without using a number of on-chip inductors in order to minimize the die area, and yet the power consumption should be kept as small as possible. The characteristics of the two main target applications are quite different from each other with regard to power consumption, bandwidth, and operational frequency requirements. A common factor for both is their short, i.e. less than 10 meters, range. Although the circuits presented in this thesis are targeted on the two main applications mentioned above, they can be utilized in other kind of wireless communication systems as well. The performance of three experimental circuits was verified with measurements and the results are presented in this work. Two of them have been a part of a whole receiver including baseband amplifiers and filters and analog-to-digital converters. Experimental circuits were fabricated in a 0.13-µm CMOS process. In addition, this thesis includes design examples where new circuit ideas and implementation possibilities are introduced by using 0.13-µm and 65-nm CMOS processes. Furthermore, part of the theory presented in this thesis is validated with design examples in which actual IC component models are used.Tässä väitöskirjassa esitetty tutkimus keskittyy suoramuunnosvastaanottimen radiotaajuudella (radio frequency, RF) toimivien piirien suunnitteluun ja toteuttamiseen. Työ keskittyy vähäkohinaiseen vahvistimeen (low-noise amplifier, LNA), alassekoittajaan ja kvadratuurisen paikallisoskillaattorisignaalin tuottavaan piiriin. Työssä toteutettiin kolme RF-etupäätä erittäin kapean viivanleveyden CMOS-prosessilla, ja niiden kokeelliset tulokset esitetään. Vähäkohinainen vahvistin on yleensä ensimmäinen vahvistava lohko vastaanottimessa. Useita erilaisia vähäkohinaisia vahvistimia on esitetty kirjallisuudessa. Tämän työn kohteena ovat eritoten laajakaistaiset LNA-rakenteet. Tässä työssä analysoidaan taajuustasossa yleisimmät ja oleellisimmat LNA-topologiat. Lisäksi uusia LNA-rakenteita on esitetty tässä työssä ja niitä on verrattu muihin kirjallisuudessa esitettyihin piireihin. Tässä työssä LNA:t on toteutettu yhdessä alassekoittimen kanssa muodostaen RF-etupään. Työssä suunnitellut alassekoittimet perustuvat yleisesti käytettyyn Gilbertin soluun. Erilaisia sekoittajan suunnitteluvaihtoehtoja ja LNA:n ja alassekoittimen välisen rajapinnan toteutustapoja on esitetty. Tässä työssä kvadratuurinen paikallisoskillaattorisignaali on muodostettu joko käyttämällä taajuusjakajia tai monivaihesuodattimia. Erilaisia taajuusjakajia ja niiden toteutustapoja käsitellään yleisellä tasolla. Monivaihesuodatinta, joka on alunperin kehitetty jo 1970-luvulla, on käytetty integroiduissa piireissä kvadratuurisignaalin tuottamiseen 1990-luvun puolivälistä lähtien. Kirjallisuudesta löytyy lukuisia artikkeleita, joissa monivaihesuodattimen toimintaa on käsitelty teoreettisesti laskien ja simuloinnein. Kuitenkaan kaikkia sen suunnitteluparametreja ei tähän mennessä ole käsitelty. Tässä työssä monivaihesuodattimen teoriaa on kehitetty edelleen siten, että käytännön piirisuunnittelussa tarvittavat oleelliset parametrit on analysoitu ja suunnitteluyhtälöt on esitetty suljetussa muodossa aina kuin mahdollista. Vaikka työssä on keskitytty yleisimpiin eli kaksi- ja kolmiasteisiin monivaihesuodattimiin, on työssä esitetty menetelmät, joilla laskentaa voidaan jatkaa aina useampiasteisiin suodattimiin asti. Työssä esiteltyjen piirien pääkohteina ovat lyhyen kantaman sensoriradio ja erittäin laajakaistainen järjestelmä (ultrawideband, UWB). Sensoreilla voidaan tarkkailla esimerkiksi ympäristön lämpötilaa, kosteutta, painetta tai kiihtyvyyttä. Siirrettävän tiedon määrä on tyypillisesti vähäistä, jolloin pieni tiedonsiirtonopeus, alle 1 megabitti sekunnissa, on välttävä. Tämän työn kohteena oleva sensoriradiojärjestelmä toimii kapealla kaistalla 2,4 gigahertsin ISM-taajuusalueella (Industrial, Scientific, and Medical). Koska sensorien tavoitteena on toimia itsenäisesti ilman pariston vaihtoa useita vuosia, täytyy niiden kuluttaman virran olla erittäin vähäistä. Sensoriradiossa vastaanottimen tehonkulutuksen kannalta määräävässä asemassa ovat radiotaajuudella toimivat piirit. Tavoitteena oli tutkia ja kehittää piirirakenteita, joilla päästään tyydyttävään suorituskykyyn tehonkulutuksella, joka on vähäinen verrattuna muiden tavallisten langattomien tiedonsiirtojärjestelmien radiovastaanottimiin. Toisaalta viime aikoina on kasvanut tarvetta myös järjestelmille, jotka kykenevät tarjoamaan erittäin korkean tiedonsiirtonopeuden. UWB on esimerkki tällaisesta järjestelmästä. Tällä hetkellä se tarjoaa tiedonsiirtonopeuksia aina 480 megabittiin sekunnissa. UWB:lle on varattu taajuusalueita 3,1 ja 10,6 gigahertsin taajuuksien välillä. Kyseinen kaista on edelleen jaettu pienempiin taajuusryhmiin (band group, BG), joiden kaistanleveys on noin 1,6 gigahertsiä. Tässä työssä on toteutettu RF-etupää radiovastaanottimeen, joka pystyy toimimaan BG1:llä ja BG3:lla eli taajuusalueilla 3,1 - 4,7 GHz ja 6,3 - 7,9 GHz. Erittäin suuri kaistanleveys yhdistettynä korkeaan toimintataajuuteen tekee radiotaajuuspiirien suunnittelusta haasteellista. Piirirakenteiden toimintakaistat ja piirien väliset rajapinnat tulee optimoida riittävän laajoiksi käyttämättä kuitenkaan liian montaa piille integroitua kelaa piirin pinta-alan minimoimiseksi, ja lisäksi piirit tulisi toteuttaa mahdollisimman alhaisella tehonkulutuksella. Työssä esiteltyjen piirien kaksi pääkohdetta ovat hyvin erityyppisiä, mitä tulee tehonkulutus-, kaistanleveys- ja toimintataajuusvaatimuksiin. Yhteistä molemmille on lyhyt, alle 10 metrin kantama. Vaikka tässä työssä esitellyt piirit onkin kohdennettu kahteen pääsovelluskohteeseen, voidaan esitettyjä piirejä käyttää myös muiden tiedonsiirtojärjestelmien piirien suunnitteluun. Tässä työssä esitetään mittaustuloksineen yhteensä kolme kokeellista piiriä yllämainittuihin järjestelmiin. Kaksi ensimmäistä kokeellista piiriä muodostaa kokonaisen radiovastaanottimen yhdessä analogisten kantataajuusosien ja analogia-digitaali-muuntimien kanssa. Esitetyt kokeelliset piirit on toteutettu käyttäen 0,13 µm:n viivanleveyden CMOS-tekniikkaa. Näiden lisäksi työ pitää sisällään piirisuunnitteluesimerkkejä, joissa esitetään ideoita ja mahdollisuuksia käyttäen 0,13 µm:n ja 65 nm:n viivanleveyden omaavia CMOS-tekniikoita. Lisäksi piirisuunnitteluesimerkein havainnollistetaan työssä esitetyn teorian paikkansapitävyyttä käyttämällä oikeita komponenttimalleja.reviewe

Low Power Filtering Techniques for Wideband and Wireless Applications

This dissertation presents design and implementation of continuous time analog filters for two specific applications: wideband analog systems such as disk drive channel and low-power wireless applications. Specific focus has been techniques that reduce the power requirements of the overall system either through improvement in architecture or efficiency of the analog building blocks. The first problem that this dissertation addresses is the implementation of wideband filters with high equalization gain. An efficient architecture that realizes equalization zeros by combining available transfer functions associated with a biquadratic cell is proposed. A 330MHz, 5th order Gm-C lowpass Butterworth filter with 24dB boost is designed using the proposed architecture. The prototype fabricated in standard 0.35um CMOS process shows -41dB of IM3 for 250mV peak to peak swing with 8.6mW/pole of power dissipation. Also, an LC prototype implemented using similar architecture is discussed in brief. It is shown that, for practical range of frequency and SNR, LC based design is more power efficient than a Gm-C one, though at the cost of much larger area. Secondly, a complementary current mirror based building block is proposed, which pushes the limits imposed by conventional transconductors on the powerefficiency of Gm-C filters. Signal processing through complementary devices provides good linearity and Gm/Id efficiency and is shown to improve power efficiency by nearly 7 times. A current-mode 4th order Butterworth filter is designed, in 0.13um UMC technology, using the proposed building. It provides 54.2dB IM3 and 55dB SNR in 1.3GHz bandwidth while consuming as low as 24mW of power. All CMOS filter realization occupies a relatively small area and is well suited for integration in deep submicron technologies. Thirdly, a 20MHz, 68dB dynamic range active RC filter is presented. This filter is designed for a ten bit continuous time sigma delta ADC architecture developed specifically for fine-line CMOS technologies. Inverter based amplification and a common mode feedback for such amplifiers are discussed. The filter consumes 5mW of power and occupies an area of 0.07 mm2