A 250 MHz 14 dB-NF 73 dB-Gain 82 dB-DR Analog Baseband Chain with Digital-Assisted DC-Offset Calibration for Ultra-Wideband

[[abstract]]A 250 MHz analog baseband chain for ultra-wideband was implemented in a 1.2 V 0.13 ¿ m CMOS process. The chip has an active area of 0.8 mm2. In the analog baseband, PGAs and filters are carried out by current-mode amplifiers to achieve wide bandwidth and wide dynamic range of gain, as well as low noise and high linearity. Besides, a current-mode Sallen-Key low-pass filter is adopted for effective rejection of out-of-band interferers. A 6 th-order Chebyshev low-pass filter realized in Gm-C topology is designed in the baseband chain for channel selection. Digitally-assisted DC-offset calibration improves second-order distortion of the entire chain. The design achieves a maximum gain of 73 dB and a dynamic range of 82 dB. Measured noise figure is 14 dB, an IIP3 of -6 dBV, and IIP2 of -5 dBV at the maximum gain mode. The analog baseband chain consumes 56.4 mA under supply of 1.2 V.[[incitationindex]]SCI[[incitationindex]]E

Development and Experimental Analysis of Wireless High Accuracy Ultra-Wideband Localization Systems for Indoor Medical Applications

This dissertation addresses several interesting and relevant problems in the field of wireless technologies applied to medical applications and specifically problems related to ultra-wideband high accuracy localization for use in the operating room. This research is cross disciplinary in nature and fundamentally builds upon microwave engineering, software engineering, systems engineering, and biomedical engineering. A good portion of this work has been published in peer reviewed microwave engineering and biomedical engineering conferences and journals. Wireless technologies in medicine are discussed with focus on ultra-wideband positioning in orthopedic surgical navigation. Characterization of the operating room as a medium for ultra-wideband signal transmission helps define system design requirements. A discussion of the first generation positioning system provides a context for understanding the overall system architecture of the second generation ultra-wideband positioning system outlined in this dissertation. A system-level simulation framework provides a method for rapid prototyping of ultra-wideband positioning systems which takes into account all facets of the system (analog, digital, channel, experimental setup). This provides a robust framework for optimizing overall system design in realistic propagation environments. A practical approach is taken to outline the development of the second generation ultra-wideband positioning system which includes an integrated tag design and real-time dynamic tracking of multiple tags. The tag and receiver designs are outlined as well as receiver-side digital signal processing, system-level design support for multi-tag tracking, and potential error sources observed in dynamic experiments including phase center error, clock jitter and drift, and geometric position dilution of precision. An experimental analysis of the multi-tag positioning system provides insight into overall system performance including the main sources of error. A five base station experiment shows the potential of redundant base stations in improving overall dynamic accuracy. Finally, the system performance in low signal-to-noise ratio and non-line-of-sight environments is analyzed by focusing on receiver-side digitally-implemented ranging algorithms including leading-edge detection and peak detection. These technologies are aimed at use in next-generation medical systems with many applications including surgical navigation, wireless telemetry, medical asset tracking, and in vivo wireless sensors

Design of a Dual Band Local Positioning System

This work presents a robust dual band local positioning system (LPS) working in the 2.4GHz and 5.8GHz industrial science medical (ISM) bands. Position measurement is based on the frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar approach, which uses radio frequency (RF) chirp signals for propagation time and therefore distance measurements. Contrary to state of the art LPS, the presented system uses data from both bands to improve accuracy, precision and robustness. A complete system prototype is designed consisting of base stations and tags encapsulating most of the RF and analogue signal processing in custom integrated circuits. This design approach allows to reduce size and power consumption compared to a hybrid system using off-the-shelf components. Key components are implemented using concepts, which support operation in multiple frequency bands, namely, the receiver consisting of a low noise amplifier (LNA), mixer, frequency synthesizer with a wide band voltage-controlled oscillator (VCO) having broadband chirp generation capabilities and a dual band power amplifier. System imperfections occurring in FMCW radar systems are modelled. Effects neglected in literature such as compression, intermodulation, the influence of automatic gain control, blockers and spurious emissions are modeled. The results are used to derive a specification set for the circuit design. Position estimation from measured distances is done using an enhanced version of the grid search algorithm, which makes use of data from multiple frequency bands. The algorithm is designed to be easily and efficiently implemented in embedded systems. Measurements show a coverage range of the system of at least 245m. Ranging accuracy in an outdoor scenario can be as low as 8.2cm. Comparative dual band position measurements prove an effective outlier filtering in indoor and outdoor scenarios compared to single band results, yielding in a large gain of accuracy. Positioning accuracy in an indoor scenario with an area of 276m² can be improved from 1.27m at 2.4GHz and 1.86m at 5.8GHz to only 0.38m in the dual band case, corresponding to an improvement by at least a factor of 3.3. In a large outdoor scenario of 4.8 km², accuracy improves from 1.88m at 2.4GHz and 5.93m at 5.8GHz to 0.68m with dual band processing, which is a factor of at least 2.8.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines robusten lokalen Positionierungssystems (LPS), welches in den lizenzfreien Frequenzbereichen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke (industrial, scientific, medical, ISM) bei 2,4GHz und 5,8GHz arbeitet. Die Positionsbestimmung beruht auf dem Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (frequency modulated continuous wave, FMCW-Radar), welches hochfrequente Rampensignale für Laufzeitmessungen und damit Abstandsmessungen benutzt. Im Gegensatz zu aktuellen Arbeiten auf diesem Gebiet benutzt das vorgestellte System Daten aus beiden Frequenzbändern zur Erhöhung der Genauigkeit und Präzision sowie Verbesserung der Robustheit. Ein Prototyp des kompletten Systems bestehend aus Basisstationen und mobilen Stationen wurde entworfen. Fast die gesamte analoge hochfrequente Signalverarbeitungskette wurde als anwendungsspezifische integrierte Schaltung realisiert. Verglichen mit Systemen aus Standardkomponenten erlaubt dieser Ansatz die Miniaturisierung der Systemkomponenten und die Einsparung von Leistung. Schlüsselkomponenten wurden mit Konzepten für mehrbandige oder breitbandige Schaltungen entworfen. Dabei wurden Sender und Empfänger bestehend aus rauscharmem Verstärker, Mischer und Frequenzsynthesizer mit breitbandiger Frequenzrampenfunktion implementiert. Außerdem wurde ein Leistungsverstärker für die gleichzeitige Nutzung der beiden definierten Frequenzbänder entworfen. Um Spezifikationen für den Schaltungsentwurf zu erhalten, wurden in der Fachliteratur vernachlässigte Nichtidealitäten von FMCW-Radarsystemen modelliert. Dazu gehören Signalverzerrungen durch Kompression oder Intermodulation, der Einfluss der automatischen Verstärkungseinstellung sowie schmalbandige Störer und Nebenschwingungen. Die Ergebnisse der Modellierung wurden benutzt, um eine Spezifikation für den Schaltungsentwurf zu erhalten. Die Schätzung der Position aus gemessenen Abständen wurde über eine erweiterte Version des Gittersuchalgorithmus erreicht. Dieser nutzt die Abstandsmessdaten aus beiden Frequenzbändern. Der Algorithmus ist so entworfen, dass er effizient in einem eingebetteten System implementiert werden kann. Messungen zeigen eine maximale Reichweite des Systems von mindestens 245m. Die Genauigkeit von Abstandsmessungen im Freiland beträgt 8,2cm. Positionsmessungen wurden unter Verwendung beider Einzelbänder durchgeführt und mit den Ergebnissen des Zweiband-Gittersuchalgorithmus verglichen. Damit konnte eine starke Verbesserung der Positionsgenauigkeit erreicht werden. Die Genauigkeit in einem Innenraum mit einer Grundfläche von 276m² kann verbessert werden von 1,27m bei 2,4GHz und 1,86m bei 5,8GHz zu nur 0,38m im Zweibandverfahren. Das entspricht einer Verbesserung um einen Faktor von mindestens 3,3. In einem größeren Außenszenario mit einer Fläche von 4,8 km² verbessert sich die Genauigkeit um einen Faktor von mindestens 2,8 von 1,88m bei 2,4GHz und 5,93m bei 5,8GHz auf 0,68m bei Nutzung von Daten aus beiden Frequenzbändern

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Apport de l'échantillonnage aléatoire à temps quantifié pour le traitement en bande de base dans un contexte radio logicielle restreinte

The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of multistandard radio receivers that process signals with heterogeneous specifications. The originality of these research activities comes from the application of random sampling at the baseband stage of a software defined radio receiver. The purpose behind the choice of random sampling is to take advantage of its alias-free feature. The originality of this work is the analytic proof of the alias attenuation feature of the time quantized random sampling, the implementation version of the random sampling. A second contribution concerns also the analytic study of the simplest implementation version of the random sampling, the time quantized pseudo-random sampling (TQ-PRS). Theoretical formulas allow the estimation of the alias attenuation in terms of time quantization factor and oversampling ratio. Alias attenuation measurement permits to design the baseband stage of the proposed multistandard radio receiver architecture. The design concerns different configuration of the baseband stage according to the performances of the used analog-to-digital converters (ADC). The TQPRS allows decreasing the anti-aliasing filter order or the sampling frequency. The design of the baseband stage reveals a difference on the choice of the time quantization factor for each standard. The power consumption budget analysis demonstrates a power consumption gain of 30% regarding the power consumption of the analog baseband stage. This gain becomes 27.5% when the TQ-PRS clock and the digital canal selection stages are considered.Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le cadre de la conception de récepteurs multistandard optimisés pouvant traiter des signaux à spécifications hétérogènes. L’idée est d’appliquer l’échantillonnage aléatoire au niveau de l’étage en bande de base d’un récepteur radio logicielle restreinte afin de tirer profit de son pouvoir d’anti-repliement. La nouveauté dans ces travaux est l’étude analytique de la réduction du repliement spectral par l’échantillonnage aléatoire à temps quantifié, candidat favorable à l’implémentation matérielle. Une deuxième contribution concerne aussi l’étude analytique de l’échantillonnage pseudo-aléatoire à temps quantifié (TQ-PRS) dont l’importance réside en sa grande facilité d’implémentation matérielle. Les formulations théoriques ont permis d’estimer l’atténuation des répliques en fonction du facteur de la quantification temporelle et du facteur du sur-échantillonnage. Les mesures de l’atténuation du repliement spectral ont permis de dimensionner l’étage en bande de base d’une architecture de réception multistandard. Le dimensionnement s’intéresse à différentes configurations de l’étage en bande de base régies par les performances du convertisseur analogique numérique (ADC) utilisé.Les travaux de recherche ont démontré que l’application du TQ-PRS au niveau de l’ADC mène soit à une réduction de l’ordre du filtre anti-repliement soit à une réduction de la fréquence d’échantillonnage. Un bilan global de la consommation de puissance a permis un gain de 30% de la consommation de l’étage en bande de base analogique. En tenant compte du générateur de l’horloge TQ-PRS et de l’étage de sélection numérique du canal, ce gain devient 25%

Conception et optimisation d'architectures radiofréquences pour la réjection de la fréquence image (applications aux systèmes de radiocommunications et liaisons de proximité)

Le développement de la radiocommunication sans fil et notamment, son explosion sur le marché grand public, a été rendu possible grâce au progrès du secteur de la microélectronique. En effet, l intégration toujours croissante de fonctions au sein d une même puce a permis le développement de ces nouvelles technologies basses consommations et à un moindre coût. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit s inscrivent dans le cadre de ces deux caractéristiques (faible coût et faible consommation). Nous avons donc développé deux solutions innovantes d architectures radiofréquences : half-complex et full-complex en technologie CMOS. En effet, cette technologie représente la meilleure alternative car elle permet l implémentation de fonctions RF analogique et numérique sur une même puce réduisant ainsi le coût du système.Le développement de la radiocommunication sans fil et notamment, son explosion sur le marché grand public, a été rendu possible grâce au progrès du secteur de la microélectronique. En effet, l intégration toujours croissante de fonctions au sein d une même puce a permis le développement de ces nouvelles technologies basses consommations et à un moindre coût. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit s inscrivent dans le cadre de ces deux caractéristiques (faible coût et faible consommation). Nous avons donc développé deux solutions innovantes d architectures radiofréquences : half-complex et full-complex en technologie CMOS. En effet, cette technologie représente la meilleure alternative car elle permet l implémentation de fonctions RF analogique et numérique sur une même puce réduisant ainsi le coût du système.AIX-MARSEILLE1-Bib.electronique (130559902) / SudocSudocFranceF

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

Analysis and design of low power CMOS ultra wideband receiver

This research concentrates on the design and analysis of low power ultra wideband receivers for Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing systems. Low power design entails different performance tradeoffs, which are analyzed. Relationship among power consumption, achievable noise figure and linearity performance including distortion products (cross-modulation, inter-modulation and harmonic distortion) are derived. From these relationships, circuit design proceeds with allocation of gain among different sub circuit blocks for power optimum system. A power optimum RF receiver front-end for MB-OFDM based UWB systems is designed that covers all the MB-OFDM spectrum between 3.1 GHZ to 9.6 GHZ. The receiver consists of a low-noise amplifier, down-converter, channel select filter and programmable gain amplifier and occupies only 1mm 2 in 0.13um CMOS process. Receiver consumes 20 mA from a 1.2 V supply and has the measured gain of 69db, noise figure less than 6 dB and input IIP 3 of -6 dBm