Σχεδίαση Αναλογικού Ολοκληρωμένου gm-C Φίλτρου Chebyshev 5ης τάξης σε τεχνολογία CMOS 65nm

Abstract

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και ανάλυση ενός αναλογικού μικροηλεκτρονικού gm-C φίλτρου με τη βοήθεια του προγράμματος Cadence. Η υλοποίηση έγινε σε τεχνολογία CMOS και συγκεκριμένα την CMOS10LPe της IBM με μήκος καναλιού τρανζίστορ τα 65n. Το φίλτρο που αναμενόταν να σχεδιαστέι ήταν ένα βαθυπερατό Chebyshev 5ης τάξης με συχνότητα αποκοπής τα 500 MHz. Στο 1ο κεφάλαιο, γίνεται μια γενική αναφορά στη θεωρία των φίλτρων και των διαγωγών και παρουσιάζονται τα δομικά στοιχεία με τα οποία μπορεί να υλοποιηθεί ένα κύκλωμα, αλλά και τα πλεονεκτήματα ενός πλήρως διαφορικού εξισορροπημένου ενεργού δικτύου. Στο 2ο κεφάλαιο, αναλύονται τα απαραίτητα βήματα για τον σχεδιασμό του Chebyshev φίλτρου 5ης τάξης, με δομικό στοιχείο του φίλτρου τον γυράτορα. Αρχικά όλες οι παράμετροι του φίλτρου ρυθμίζονται κατάλληλα με χρήση ιδανικών διαγωγών, δηλαδή πηγών ρεύματος ελεγχόμενων από τάση (vccs), έως ότου παρατηρηθεί η ιδανική συμπεριφορά που ζητείται. Στο 3ο κεφάλαιο, γίνεται η ανάλυση του πραγματικού διαγωγού που θα χρησιμοποιηθεί στο φίλτρο. Ο διαγωγός τελικώς, δοκιμάστηκε κατευθείαν μέσα στο φίλτρο, και έγιναν διάφορες δοκιμές, ώστε να επιτευχθεί το καλύτερο δυνατό κέρδος και η μεγαλύτερη δυνατή συχνότητα αποκοπής του φίλτρου. Στο τέλος του κεφαλαίου, γίνονται διάφορες προσομοιώσεις για την εύρεση των υπόλοιπων χαρακτηριστικών του διαγωγού, όπως το περιθώριο φάσης, το CMRR, το PSRR, η περιοχή σήματος εξόδου, το Slew Rate και άλλα. Ο τελικός διαγωγός, είναι ένας αντισταθμισμένος folded cascode διαγωγός, με κέρδος τάσης χαμηλών συχνοτήτων 41.7 dB, περιθώριο φάσης 33.7 deg και συχνότητα μοναδιαίου κερδους 349.6 ΜΗz, χωρίς όμως common mode feedback κύκλωμα. Στο 4ο και τελευταίο κεφάλαιο, παρατίθενται προσομοιώσεις που φανερώνουν την λειτουργία του φίλτρου με τον πραγματικό διαγωγό στο φίλτρο. Η συχνότητα αποκοπής -1dB, επετεύχθη τελικώς στα 143.7 MHz αντί στα 500 ΜΗz, και το κέρδος τάσης χαμηλών συχνοτήτων στα -323mdB αντί τα 0 dB. Τέλος, έγιναν προσομοιώσεις για να ελεγχθεί η ευστάθεια του φίλτρου, η δυναμική περιοχή εισόδου και εξόδου, η γραμμικότητα του φίλτρου, το Noise Figure, το ΙΡ3 (Interception point) και η επίδραση της μεταβολής της θερμόκρασίας και της τροφοδοσίας στην απόκριση συχνότητας του φίλτρου.

The purpose of this thesis, is the design and analysis of an analog microelectronic gm-C filter using the Cadence program. The implementation will take place in a 65nm CMOS process of the IBM technology. The expected filter to be designed, is a 5th order Chebyshev low pass filter, with a cutoff frequency at 500 MHz. In the first chapter, a general reference to the theory of filters and transconductors is made, and building blocks which can implement a gm-C circuit are presented. Also the advantages of a fully balanced differential active network are presented. The 2nd chapter analyzes the necessary steps for designing the 5th order Chebyshev gm-C filter using gyrators as the basic building block of the filter. Initially, all filter parameters are adjusted appropriately using ideal transconductors, ie voltage controlled current sources (vccs), until there the ideal behavior of the filter is achieved according to the given specifications. In the third chapter, the analysis of the real transconductor that will be used in the filter is done. The real transconductor, is finally tested directly into the filter, and various tests are made in order to achieve the best possible dc gain and the maximum cutoff frequency of the filter . At the end of the chapter, several simulations are taking place, in order to find other characteristics of the transconductor, such as phase margin, CMRR, PSRR, output swing, Slew Rate and more. The type of the final transconductor is a folded cascode transconductor, with a 41.7 dB low-frequency voltage gain, 33.7 degree phase margin and 349.6 MHz unity gain frequency, but without using common mode feedback circuit to the transconductor. In the fourth and final chapter, simulations are done, in order to evaluate the filter’s performance with the real transconductor this time. The -1dB cutoff frequency, is finally reached at 143.7 MHz, instead of 500 MHz that was desired from the specifications, and the voltage gain at low frequencies is at -323mdB instead of 0 dB that was also desired from the specifications. Finally, simulations were done to testify the stability of the filter, the dynamic range of input and output, the linearity of the filter, the Noise Figure, the IP3 (Interception point) and the effect of changes in temperature and voltage supply at the frequency response of the filter.