High Performance Tunable Active Inductors For Microwave Circuits

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016RF uygulamalarında enduktif karakteristiğe önemli ölçüde ihtiyaç duyulmaktadır; bunlar, özellikle filtreler, düşük gürültülü yükselteçler (LNA, low noise amplifiers), gerilim kontrollü osilatörler (VCO, voltage controlled oscillators), pek çok farklı türde yükselteç için band genişliği iyileştirilmesi, faz kaydırıcılar, güç bölücüler ve eşleştirme (matching) devreleri vb. uygulamalardır. Pasif sarmal çip-içi CMOS endüktansların eksik yönleri ayrıntılı olarak literatürde tartışılmıştır. Bu tür endüktanslar düşük değer katsayısı (quality factor), düşük öz-rezonans frekansı (SRF, self-resonance frequency), sabit ve düşük değerli endüktans ve geniş bir silikon (silicon) alanı gerektirmeleri gibi istenmeyen özelliklere sahiptirler. Diğer yandan, MOS transistorlar kullanılarak sentezlenen CMOS aktif endüktansların, pasif sarmal eşdeğer yapıları ile karşılaştırıldığında pek çok çekici karakteristik özellik sunabildikleri gösterilmiştir. Bunlar; geniş bir bölgede ayarlanabilir öz-rezonans frekansı başarımı, geniş bir bölgede ayarlanabilir endüktans başarımı, geniş bir bölgede ayarlanabilir değer katsayısı başarımı, CMOS teknolojileri ile tümüyle gerçeklenebilme ve az alan kaplama gibi karakteristik özellikleri olarak ortaya konulmaktadır. Literatürde jiratör-C (GC) prensibi, topolojisi, karakterizasyonu ve uygulamaları ayrıntılı olarak ele alınmaktadır. İşlemsel geçiş-iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA, operational transconductance amplifier) ile gerçeklenen GC devreleri, RF uygulamaları için oldukça uygundur. Bu özellik, GC yapılarının söz konusu yapı kullanılarak en az sayıda aktif eleman ile gerçeklenebilmesinden kaynaklanmaktadır. Gerek topraklı (grounded) gerekse yüzen (floating) aktif endüktansların GC devreleri ile gerçeklenebildiği gösterilmiştir. Aktif endüktansların başarımlarının nicel olarak ölçülmesi amacıyla, çok sayıda ölçüt ortaya konulmuştur. Bu ölçütler frekans çalışma aralığı, endüktans ayarlanabilirliği, değer katsayısı, gürültü ve güç tüketimi gibi temel özellikleri içerirler. CMOS transistorların parazitik bileşenlerinden dolayı tasarlanan aktif endüktanslar belirli bir frekans bölgesinde endüktif davranış gösterirler. Alt frekans sınırı, GC devrelerinin sıfır frekansı ile belirlenirken; üst frekans sınırı ise öz-rezonans frekansı ile belirlenir. Aktif endüktansların pasif sarmal eşdeğer yapılarına göre en önemli üstünlüklerinden biri de; endüktanslarının geniş bir değer aralığıunda ayarlanabilir olmasıdır. GC aktif endüktansların endüktans değeri, transistorların geçiş-iletkenliklerinin ya da MOS varaktörlerle gerçeklenen yük kapasitanslarının değiştirilmesi ile ayarlanabilir. Literatürde, GC topolojisine dayalı pek çok CMOS AI (active inductor) devresi bildirilmiştir. Bunların tümü, farklı teknikler kullanılarak yüksek başarımlı AI yapıları oluşturmayı amaçlamışlardır. Bu tezde, bunlardan güncel olan bazı GAI (grounded AI) ve FAI (floating AI) yapıları gözden geçirilmiştir. Bunlardan bazıları, değer katsayısını (QF) iyileştirmek amacıyla, AI kaybını telafi etmek için negatif direnç kullanmışlardır. GC yapıları RF uygulamaları için tasarlandıklarında en az sayıda transistor kullanımı çok kritiktir. Çünkü bu durum AI öz-rezonans frekansının artmasına yardımcı olur. AI’ler, kazanç artırma amacıyla LNA’lerde geniş kullanım alanı bulabilmektedirler. Diğer taraftan, AI yapılarının en önemli dezvantajlarından biri gürültü başarımının pasif endüktanslara nispeten yüksek olmasıdır. Literatürde bu dezavantajı gidermek amacıyla teklif edilen yaklaşımlardan biri dejenerasyon direncinin bulunduğu bir geribesleme katı kullanılarak girişe gelen gürültü katkısını azaltmayı amaçlamıştır. Literatürde teklif edilen tekniklerin amacı, parazitik bileşenlerin etkisini azaltmak ya da tümüyle ortadan kaldırmaktır. Bu tezde, ileri devre teknikleri kullanılarak, yeni topraklı (grounded) ve yüzen (floting) AI yapıları tasarlanmıştır. AI giriş ve çıkış düğümlerine ait iletkenlikleri azaltmak için çoklu-düzenlenmiş kaskod (multi-regulated cascode, MRC) katları QF değerini iyileştirme amacıyla kullanılmaktadır. MRC katı PMOS transistorlarıyla oluşturulmuştur. PMOS transistor kullanımı, • ikinci kat kutuplamasını ayarlayabilmek amacıyla, giriş transistor boyutunun mümkün olduğunca azaltılmasını, • ana AC işaret yolundaki transistor sayısının azaltılmasını, sağlamaktadır. Tezde sunulan teorik analiz ve serim sonrası benzetim sonuçları, MRC katı kullanımının AI özelliklerine yaptığı etkiyi göstermektedir. Elde edilen sonuçlar bu katların AI tasarımında yüksek QF elde edilmesini imkan tanıdığını ortaya koynaktadır. Literatürde, iki ana AI başarım karakteristiği olan SRF ve QF başarımlarının iyileştirmesi için çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu tezde, birbirlerini etkilemeksizin SRF ve QF başarımlarının ayarlanabilmesi özelliğine sahip bir AI’ın tasarımı ve benzetgimi yapılmıştır. Kaskod ve RC geribesleme yapıları yeni AI tasarımında kullanılmıştır. Daha önce de tartışıldığı üzere, AI karakterizasyonu açısından giriş transistoru çok önemlidir. Girişi transistorunun kaskodlanması, ilk jiratörün geçiş-iletkenliğinin ve giriş parazitik kapasitansının birbirinden bağımsız olarak ayarlanması gibi önemli ve kullanışlı bir özelliği beraberinde getirir. Bunun yanısıra, endüktansın değeri diğer transistorun iletkenliği ile ayarlanabilir. AI parazitik seri-rezistansını yok etmek amacıyla kullanılan RC geribeslemesi, QF iyileştirmesini sağlayabilmektedir. Kaskod transistorların kutuplama koşulu bir diyot-bağlı transistor ile sağlandığından; önerilen yapı proses, gerilim ve sıcaklık değişimleri açısından kararlı ve yüksek başarımlıdır. AI yapılarında karşılaşılan düşük gürültü başarımı, AI’ların LNA gibi RF uygulamalarda kullanımını sınırlamaktadır. Bir AI’ın ana gürültü kaynağı giriş transistorudur. Düşük gürültülü AI elde etmek için, giriş transistoru yeterince büyük boyutlu olarak tasarlanmalıdır. Ne var ki, büyük boyutlu böyle bir transistor, düşük bir SRF ve dolayısıyla sınırlı bir endüktif bandı beraberinde getirir. Bu tezde, düşük gürültülü ve az kayıplı uygun bir AI, düşük gürültü gerektiren RF uygulamaları için sunulmuştur. Teklif edilen AI devresindeki tüm transistorların ortak-kaynak (common-source, CS) yapısında kullanılması, düşük iletkenliğe sahip düğümlerin dolayısıyla yüksek QF değerine sahip bir AI’ın elde edilmesine olanak sağlamaktadır. AI gürültüsünü azaltmak için, sırasıyla P-tipi MOS transistorlar ve ileri-besleme yolu yapısı (feed-forward path, FFP) kullanılmaktadır. Bilindiği gibi, sensörler çok çeşitli fiziksel büyüklüklerin eletrik mühendisiliği alanına taşınmasını sağlamaktadır. Çok geniş kullanım alanı bulan sensör tiplerinden biri kapasitif mikro algılıyıcılardır. Kapasitif mikro algılayıcılar mekanik hareketleri küçük kapasitans değişimlerine çevirirler. Micro algılayıcıdaki kapasitans değişimi femto-Farad mertebesinde olup algılamayı zorlaştırmaktadır. Diğer yandan, küçük bir kapasitans değişimini yüksek bir empedans değişimine çevirebilmeleri dolayısıyla, GC topolojilerinin kapasitif algılayıcılarda kullanılabileceğini söylemek mümkündür. Bu tezde, bu düşünceden yola çıkılarak, kesit duyarlılığını yok etme yeteneğine sahip yeni bir 3-eksen ivme-ölçer tasarlanmıştır. Yapının, her eksendeki ivmeyi bağımsız olarak algılayabilmesi için, algılayıcı elektrodları uygun olarak yerleştirilmiştir. Daha sonra, bir kapasitif algılayıcıdaki çok küçük kapasitans değişimlerini algılayabilmek için yeni bir GC yapısı teklif edilmiştir. Önerilen yapıda, çalışma frekansı aralığı ve ölçekleme çarpanı, kutuplama akımlarının ayarlanması suretiyle birbirini etkilemeksizin ayarlanabilmektedir. Ayrıca, önerilen yapıda, parazitik bileşenlerin etkisini yok etmek için RC geribesleme ve kaskod yapılar kullanılmaktadır. Son olarak, bu tezde sunulan AI’ların çok amaçlı özellikte olduğunu göstermek amacıyla, 3 ve 6. dereceden geniş bantlı mikrodalga filtrelerde kullanılmaları ele alınmıştır. İlki 3. dereceden bir Chebyshev alçak geçiren filtredir. Basitleştirilmiş gerçel frekans tekniği (SRFT, simplified real frequency technique) ile tasarlanan ikincisi ise, 6. dereceden bir Chebyshev band geçiren filtredir. Filtrelerin benzetimle elde edilmiş frekans yanıtları, bu tezde sunulan AI’ların literatürdeki yapılara güçlü birer alternatif olduklarını ortaya koymaktadır.There is critical need for inductive characteristics in RF applications, especially in filters, LNA, VCO, bandwidth-enhancement in many kinds of amplifiers, phase shifters, power divider and matching networks. The drawbacks of using passive and spiral inductors in CMOS process are discussed in the literature. It is shown that these kind of inductors suffer from a low quality factor, a low self-resonant frequency, a low and fixed inductance value and the need for a large silicon area. Furthermore, it is shown in the literature that CMOS Active Inductors (AIs), which are synthesized using MOS transistors, offer a number of attractive characteristics as compared with their spiral counterparts. These characteristics include a low silicon consumption, a large and tunable self-resonant frequency, a large and tunable inductance, a large and tunable quality factor, and fully realizable in digital CMOS technologies. Then principles, topologies, characterizations and implementation of the Gyrator-C (GC) network is discussed in-depth. The GC networks, which are implemented by operational transconductance amplifier, are suitable for RF application. This property arises from their minimum usage of active elements. It is shown that both grounded and floating active inductors can be implemented by GC networks. To provide a quantitative measure of the performance of AIs, a number of figure-of-merits have been introduced in the thesis. These figure-of-merits include frequency range, inductance tunability, quality factor, noise and power consumption. Due to parasitic components of CMOS transistors, designed AIs have inductive behavior in a specified frequency range. The low frequency bound is set by the frequency of the zero of the gyrator-C networks while the upper frequency bound is set by Self-Resonance Frequency (SRF). One of the key advantages of active inductors over their spiral counterparts is the large tunability of their inductance. The inductance of GC AIs can be tuned by varying either the transconductances of the transconductors or the load capacitance, which is implemented by MOS varactor. Based on GC topology, there are many reported CMOS AI circuits in literature. All of them have tried to invent high performance AI by using different techniques. Some of recent proposed Grounded AI (GAI) and Floating AI (FAI) circuits are reviewed in the thesis. Some of them use negative resistor to compensate the loss of AI for QF enhancement. Some others try to use minimum number of transistors in order to increase the self-resonance frequency of AI for RF applications. In some applications, AIs are used in LNA circuits for gain boosting purpose. In that applications, designers have tried to cancel the noise of AI by using a feedback stage with a degeneration resistor to reduce the noise contribution to the input. The main aim of all the techniques is to cancel or reduce the effects of parasitic components. In the thesis, four new grounded and floating AIs are designed by using advanced circuit techniques. The first one, Multi Regulated Cascode (MRC) stages are employed for lowering conductance in input and output nodes of AI. Thus, Q performance is improved. Since these stages are used only for increasing impedance of input/output nodes, they are made up of PMOS transistors in order to: • minimize the input transistor as small as possible in order to adjust second stage biasing, • decrease the number of transistors in main path of AC signal Theoretical analysis and post-layout simulation results shows the effectiveness of using MRC stages usage in properties of AI. High Q symmetric floating version of low loss inductor is also designed by utilizing MRC stages. Designers do their best to improve SRF and QF, two main characteristics in term of AI performance. An AI with ability to adjust its SRF and QF without affecting each other is designed and simulated as a third. The cascoding and RC feedback structures are used in the new design of AI. As it discussed before, input transistor is very important regarding to AI characterizations. Cascoding input transistor gives the ability to adjust the first gyrator’s transconductance and input parasitic capacitance independently which it results in adjusting the self-resonance frequency and quality factor separately. Due to our best knowledge from literature reviewing, it is first time that the properties of an inductor can be adjusted independently. Furthermore, the inductance value can be adjusted by other transistor’s transconductances. Also, the RC feedback is utilized to cancel the parasitic series-resistance of AI which results in QF enhancement. Since, bias condition of cascoding transistors is provided by a diode-connected transistor, the proposed structure is robust in terms of performance over variation in process, voltage and temperature. The Noise of designed AIs has limited the use of them in RF applications such as LNAs. The main noise source of an AI is its input transistor. In order to have low noise AI, the input transistor should be designed large enough. But it leads to low SRF which limited the inductive frequency band. As a fourth active inductor design, a low-noise and low-loss AI is presented suitable for RF low noise applications. Utilizing all transistors in Common Sourse (CS) configuration on the AI circuit leads to low conductance nodes which causes the AI to have high Q. P-type MOS transistors and Feed-Forward Path (FFP) are employed to decrease noise of the AI, respectively. The GC topologies can convert a low capacitance variation to high impedance changing which makes it a good choice for capacitive sensors. The capacitive based micro sensors convert mechanical signals to small capacitance variation. The capacitance variation in micro sensor is in the range of femto-Farads which makes it difficult to sense. Thus, the GC topologies can be used in capacitive sensors in order to sense small capacitive variations. In the thesis, this technique is used in a new accelerometer sensor. It is first time that a gyrator-C network is employed as an interface circuit for capacitive change detection in micro sensors. The new accelerometer structure is designed by using with ability to cancel cross section sensitivity. The sensor’s electrodes are located in such a way that enables the structure to detect acceleration in 3-axis independently. Embedding all 3-axis detecting electrodes in a single proof mass and ability to detect acceleration orientation are salient features of the proposed sensor. Consequently, a new GC configuration for sensing very small capacitance changes in a capacitive sensor is presented in the thesis. In the proposed configuration, the operating frequency range and scaling factor can be adjusted without affecting each other by tuning the bias currents of utilized gyrators. In addition, the proposed configuration employs RC feedback together with the cascoding technique to cancel the effect of the parasitic components in order to get accurate scaling from gyrator-C network. Finally, in order to show versatility of designed AIs, they are used in designed third and sixth order broadband microwave filters. The first one is a third order Chebyshev low pass filter. The second one, which is designed by using simplified real frequency technique is a sixth order Chebyshev band pass filter. The simulated frequency response of filters prove the workability of the designed AIs.DoktoraPh

A method for low-pass filter designing by commensurate transmission lines

It is well known that the complex Richards-Plane is a transformed domain of Laplace-Plane which is obtained under a tangent hyperbolic mapping. Network functions generated in terms of Richards's frequency are periodic in actual frequencies with periodicity of pi. Once a low-pass prototype network function is designed in Richards's domain, then its periodic feature makes the corresponding periodic band-pass network function to appear at the certain bands repetitively in the frequency axis. Depend on the application requirements, designer can choose the interested band among these repetitive bands. In this work, a filter is built with microstrip commensurate transmission lines in GSM operation pass-band (0.8 <= f <= 2.4 GHz) . This network can be used in communication applications which are designed to operate in the range of GHz as well as the application in a microstrip patch antenna. In the proposed design, Simplified Real Frequency Technique (SRFT) is employed in the frequency detection network, and the simulation result of microwave office tool (AWR) confirms the theoretical result obtained by MATLAB.Publisher's Versio

Designing a new high Q fully CMOS tunable floating active inductor based on modified tunable grounded active inductor

A new Tunable Floating Active Inductor (TFAI) based on modified Tunable Grounded Active Inductor (TGAI) is proposed. Multi regulated cascade stage is used in TGAI to boost gain of input impedance and inductor value thus the Q factor enhancement obtained. The arrangement of Multi-Regulated Cascade (MRC) stage is caused the input transistor which determines AI self-resonance frequency to be as small as possible and it is free of body effect which is crucial in sub-micron technology. Compared to traditional CMOS spiral inductors, the active inductor proposed in this paper can substantially improve its equivalent inductance and quality factor. This TFAI was designed using the AMS 0.18 um RF CMOS process, which demonstrates an adjustable quality factor of 10∼567 with a 6∼284 nH inductance. The Q factor and value of active inductor is adjusted with bias current and flexible capacitance (varactor), respectively. The self-resonance frequency for both grounded and floating AI is about 6.2 GHz. The proposed active inductor also shows wide dynamic range and higher quality factor compared to conventional floating active inductor circuits.Publisher's Versio

A low loss, low voltage and high Q active inductor with multi-regulated cascade stage for RF applications

Numerous structural planning of active inductors have been proposed as of not long ago in literature which showing tuning conceivable outcomes, low chip area and offering integration facility, they constitute promising architecture to replace passive inductors in RF circuits. The modified of a conventional active inductor based on Gyrator-C topology consisting of both transconductance stages realized by common-source configuration with multi-regulated cascade stage is presented. The Q factor and value of active inductor is adjusted with bias current and flexible capacitance, respectively. Multi regulated cascade stage is used to boost gain of input impedance and inductor value and decrease series resistance of designed inductor witch caused loss. The circuit is suitable for low voltage operation, high quality factor and low power dissipation. Simulation results are provided for 90 nm TSMC CMOS process with 1 V supply voltage. Self-resonance frequency and power consumption of active inductor is 8.9 GHz and 1.2 mW, respectively.Publisher's Versio

Design of a new low loss fully CMOS tunable floating active inductor

In this paper, a new tunable floating active inductor based on a modified tunable grounded active inductor is proposed. The multi regulated cascade stage is used in the proposed active structure to decrease the parasitic series resistance of active inductor, thus the Q factor enhancement is obtained. Furthermore, the arrangement of this stage leads to the smaller input transistor which determines active inductor’s self-resonance frequency and to be free of body effect which is crucial in sub-micron technology. Symmetrical design strategy has enabled both ports of the proposed floating active inductor to demonstrate the same properties. The Q factor and active inductor value are tuned with bias current and flexible capacitance (varactor), respectively. The self-resonance frequency of floating active inductor (~6.2 GHz) is almost the same as grounded prototype. In addition, the proposed active inductor also shows higher quality factor and inductance value compared to the conventional floating active inductor circuits. To show the performance of suggested circuit, simulations are done by using a 0.18 µm CMOS process, which demonstrates an adjustable quality factor of 10–567 with an inductance value range of 6–284 nH. Total DC power consumption and occupied area are 2 mW and 934.4 µm2, respectively.Publisher's Versio

An accurate CMOS interface small capacitance variation sensing circuit for capacitive sensor applications

In this paper, an accurate front-end CMOS interface circuit for sensing very small capacitance changes in capacitive sensors is presented. The proposed structure scales capacitance variation to the sensible impedance changing. The scaling factor of the circuit can be easily tuned by adjusting bias points of the transistors. In order to cancel or decrease the parasitic components, the RC feedback and input transistor cascading techniques are employed in the design. To simulate the circuit, HSPICE simulator is utilized to verify the validity of the theoretical formulations in 0.18 mu m technology. According to schematic and post-layout simulation results, input impedance changes linearly versus capacitance variations up to 0.7 GHz, while the sensor capacitance changing is varied between 0 and 200 fF. According to the simulation results, total dc power consumption is obtained as low as 1 mW with 0.9 V power supply.Publisher's Versio

CMOS high-performance UWB active inductor circuit

In order to maximize efficiency of the designed gyrator-based active inductor, advanced circuit techniques are used. Loss and noise are most important features of the AIs, where they should be low enough to have high-performance device. The gyrator-C topology is used to design a new low-loss and low-noise active inductor. The gyrator-C topology is potentially high-Q and all transistors are utilized in common-source configuration to have high impedance in input-output nodes. All transistors are free of body effect. The p-type differential pair input transistors and the feed forward path are employed to decrease noise of the proposed circuit. Additionally, inductance value and quality factor are adjusted by variation bias current which gives to the device tunable capability. HSPICE simulation results are presented to verify the performance of the circuit, where the 180 nm CMOS process and 1.8 V power supply are used. The noise voltage and power dissipation are less than 2.8 nV/ √ Hz and 1.3 mW, respectively.Publisher's Versio

Low-loss active inductor with independently adjustable self-resonance frequency and quality factor parameters

This work presents a new low-loss active inductor whose self-resonance frequency and quality factor parameters can be adjusted independently from each other. In order to achieve this property, a new input topology has been employed which consists of cascode structure with a diode connected transistor. Furthermore, the proposed input topology makes the device robust in terms of its performance over variation in process, voltage and temperature. Additionally, RC feedback is used to cancel series-loss resistance of the active inductor, which allows self-resonant enhancement as well. Schematic and post-layout simulation results show the theoretical validity of the design. To validate the design feasibility for process, voltage and temperature changes, Monte Carlo and temperature analysis are done. Suggested structure shows inductor behavior in the frequency range of 0.3–11.3 GHz. Maximum quality factor is obtained as high as 2.1k at 5.9 GHz. Total power consumption is as low as 1 mW with 1.8 V power supply.Publisher's Versio

A new high performance CMOS active inductor

A new high-performance active inductor with ability to tune its self-resonance frequency and quality factor without affecting each other is presented in this letter. Using the input transistor of active inductor in cascoding configuration gives this property to designed circuit. Furthermore, the input transistor topology make the device robust in terms of its performance over variation in process and temperature. On the other hand, RC feedback is used to cancel the parasitic components in input node of the active device, which results to improve circuit performance. Schematic and post-layout simulation results shows the theory validity of the design. Monte Carlo and temperature analysis is done to show structure robustness in PVT variation. Inductive behavior frequency range of suggested structure is 0.3-11.4 GHz. Maximum quality factor is obtained as high as 3.7k at 6.3 GHz. Total power consumption is as low as 1mW with 1.8 V power supply.Publisher's Versio