15 research outputs found

    Design of Analog-to-Digital Converters with Embedded Mixing for Ultra-Low-Power Radio Receivers

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    In the field of radio receivers, down-conversion methods usually rely on one (or more) explicit mixing stage(s) before the analog-to-digital converter (ADC). These stages not only contribute to the overall power consumption but also have an impact on area and can compromise the receiver’s performance in terms of noise and linearity. On the other hand, most ADCs require some sort of reference signal in order to properly digitize an analog input signal. The implementation of this reference signal usually relies on bandgap circuits and reference buffers to generate a constant, stable, dc signal. Disregarding this conventional approach, the work developed in this thesis aims to explore the viability behind the usage of a variable reference signal. Moreover, it demonstrates that not only can an input signal be properly digitized, but also shifted up and down in frequency, effectively embedding the mixing operation in an ADC. As a result, ADCs in receiver chains can perform double-duty as both a quantizer and a mixing stage. The lesser known charge-sharing (CS) topology, within the successive approximation register (SAR) ADCs, is used for a practical implementation, due to its feature of “pre-charging” the reference signal prior to the conversion. Simulation results from an 8-bit CS-SAR ADC designed in a 0.13 μm CMOS technology validate the proposed technique

    System and Circuit Design Aspects for CMOS Wireless Handset Receivers

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    A CMOS DB-linear VGA with DC offset cancellation for direct-conversion receiver

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    Master'sMASTER OF ENGINEERIN

    Data Acquisition Applications

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    Data acquisition systems have numerous applications. This book has a total of 13 chapters and is divided into three sections: Industrial applications, Medical applications and Scientific experiments. The chapters are written by experts from around the world, while the targeted audience for this book includes professionals who are designers or researchers in the field of data acquisition systems. Faculty members and graduate students could also benefit from the book

    Design of a variable gain amplifier for an ultrawideband receiver

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    A fully differential CMOS variable gain amplifier (VGA) has been designed for an ultra-wideband receiver. The VGA comprises of two variable gain stages followed by a post amplifier stage. The interface between the digital control block and the analog VGA is formed by a digital-to-analog converter and an exponential voltage generator. The gain of the VGA varies dB-linearly from 0 to 52 dB with respect to the control voltage. The VGA is operated in open loop with a bandwidth greater than 500 MHz throughout the gain range to cater to the requirements of the ultra-wideband system. The noise-to-power ratio of the VGA is -23.9 dB for 1Vp-p differential input signal in the low gain setting, and the equivalent input referred noise is 1.01 V2 for the high gain setting. All three stages use common mode feedback to fix and stabilize the output DC levels at a particular voltage depending on the input common-mode requirement of the following stage. DC offset cancellation has also been incorporated to minimize the input referred DC offset caused by systematic and random mismatches in the circuit. Compensation schemes to minimize the effects of temperature, supply and process variations have been included in the design. The circuit has been designed in 0.18??m CMOS technology, and the post layout simulations are in good agreement with the schematic simulations

    Advanced Microwave Circuits and Systems

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    Energieeffiziente HF-Front-End-Schaltungsarchitekturen am Beispiel von ZigBee-Empfängern

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    Der Arbeit vorangestellt ist eine Literaturübersicht über die verschiedenen Empfängerarchitekturen, aus denen die homodyne Architektur als die am besten für einen energieeffizienten Empfänger wie z.B. ZigBee geeignete ausgewählt wird. Basierend auf einer Systemsimulation werden die Kennzahlen des gesamten Empfängers festgelegt und diese umgesetzt in Spezifikationen für die einzelnen Schaltungsblöcke. Aus den festgelegten Kennzahlen wird deutlich, dass im Vergleich zu anderen drahtlosen Systemen eine geringe Anforderung an das Noise Figure und die Linearität gestellt wird, aber eine hohe Anforderung der geringe Stromverbrauch darstellt. In einer weiteren Literaturübersicht werden unterschiedlichen LNA-Architekturen miteinander verglichen und bewertet. Dabei werden nicht nur die konventionellen Architekturen Common-Source-LNA und Common-Gate-LNA (CG-LNA) betrachtet, sondern auch alternative Varianten untersucht. Aufgrund der Systemanforderungen wird der CG-LNA als der am besten geeignete ausgewählt. Basierend auf dem EKV-Modell, welches das Verhalten des MOSFETs in allen Arbeitsbereichen beschreibt, wird der CG-LNA analysiert. Dabei werden speziell, die parasitären Kapazitäten des MOSFETs und die durch Kurzkanaleffekte bedingte Zunahme des Rauschens, in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt berücksichtigt. In dieser Arbeit konnten weiterhin neue, arbeitspunktabhängige charakteristische Performancekennzahlen (weitenbezogene Source-Transkonduktanz und totale Eingangskapazität sowie Eingangszeitkonstante) des CG-LNAs definiert werden, welche in direkter Verbindung zu der verwendeten Standard-CMOS-Technologie stehen. Mit Hilfe dieser Kenngrößen können die Technologiebedingten Grenzen für den Eingangsreflexionsfaktor und das Noise Figure bestimmt werden. Mit Hilfe einer numerischen Simulation werden die Kennzahlen des CG-LNAs ermittelt. Darauf basierend wird ein Algorithmus formuliert, mittels dessen unter Berücksichtigung der festgelegten Spezifikationen für den LNA (Noise Figure und Eingangsreflexionsfaktor) der optimale Inversionskoeffizient und die dazugehörige Weite bei minimalem Arbeitspunktstrom gefunden werden kann. Die durchgeführte Optimierung zeigt, dass der günstigste Arbeitspunkt im Bereich der moderaten Inversion liegt. Die durch die Optimierung gefundenen Designparameter werden bei der anschließenden schaltungstechnischen Realisierung verwendet und die Kennzahlen des LNAs durch eine Schaltungssimulation verifiziert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt bei der Erweiterung des entwickelten CG-LNAs um eine variabel einstellbare Verstärkung. Dazu wird ein neues Konzept zur Verstärkungseinstellung vorgestellt und umgesetzt, welches darauf basiert den Arbeitspunktstrom abzusenken. Bei der schaltungstechnischen Umsetzung werden 16 verschiedene Verstärkungsstufen realisiert, wodurch die Verstärkung des LNAs in 1 dB Schritten reduziert werden kann (eine beliebige Stufung ist ebenfalls realisierbar). Der Arbeitspunktstrom wird dabei um fast eine Größenordnung reduziert. Durch Betrachtung des SNR-Ausgangsverhältnisses wird gezeigt, dass bei einer geringeren Verstärkungseinstellung sich keine Verschlechterung des SNR-Verhältnisses im Vergleich zur größten Verstärkungseinstellung ergibt. Der in dieser Arbeit vorgestellte optimierte CG-LNA kann zukünftig in Empfängern mit vergleichbaren Anforderungen eingesetzt werden. Die einstellbare Verstärkung mit gleichzeitig reduzierter Stromaufnahme stellt dabei eine wichtige Entwicklung dar, welche maßgeblich zur Verlängerung der Batterielebensdauer bei mobilen Geräten beiträgt

    Analogue circuits for low power communication

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    Low power electronic circuits are required to extend the operational time of battery operated devices. They are also necessary to reduce the power consumption of equipment in general, especially as the world tries to cut energy usage. The first section of this thesis explores fundamental and implementation limits for low power circuits. The energy requirements of amplification are presented and a lower bound on the energy required to transmit information over a point to point link is proposed. It is evident from the low power limits survey that when a transistor is biased, significant thermodynamic energy is required to reduce the resistance of the channel. A transmitter is presented that turns on a transistor for 0.1 % of transmitted time. This transmitter approximates a Gaussian pulse by allowing the impulse response of two 2nd order transmitting elements to sum in free space. The transmitter is of low complexity and the receiver architecture ensures that no on-line tuning is required. Measured results indicate that by using coherent detection a 1 Mbps, 50 mm distance link with a bit error rate of 10−3 can be achieved. The bandwidth of the transmitted pulse is 30-37.5 MHz and 30 dB of out of band attenuation is provided. An analogue Gabor transform is described which splits a signal into parallel paths of a lower bandwidth. This enables post processing at lower clock rates, which can reduce energy dissipation. An implementation of the transform using sub-threshold CMOS continuous time filters is presented. A novel method for designing low power gmC filters using simple models of identical transconductors is used to specify transistor sizes. Measured results show that the transform consumes 7 μW for an input signal bandwidth of 4 kHz
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