Σχεδιασμός δέκτη Ραδιοσυχνοτήτων για συστήματα υπερ-ευρείας ζώνης λήψης

Abstract

Σε κάθε ασύρματο σύστημα επικοινωνιών τα πιο σημαντικά τμήματα είναι ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου και ο μίκτης που τοποθετούνται αμέσως μετά την κεραία λήψης. Τα δύο αυτά ολοκληρωμένα κυκλώματα καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την επίδοση του συνολικού συστήματος και για τον λόγο αυτό ο σχεδιασμός τους αποτελεί ένα σημαντικό πεδίο έρευνας. Το ενδιαφέρον αυτό γιγαντώθηκε τα τελευταία χρόνια, καθώς προέκυψαν νέα απαιτητικά πρωτοκολλά ασύρματης επικοινωνίας όπως το UWB. Επιπλέον η ανάπτυξη των τεχνολογιών ολοκλήρωσης και η σμίκρυνση των τρανζίστορ σε μεγέθη της τάξεως των 90 και 65 nm δημιουργεί ώριμο έδαφος για την ανάπτυξη των παραπάνω συστημάτων καθώς και για την εφαρμογή νέων τεχνικών που βελτιστοποιούν την επίδοση τέτοιων κυκλωμάτων. Στην διατριβή αυτή θα παρουσιαστούν μέθοδοι σχεδίασης και για τα δύο προαναφερθέντα κυκλώματα. Πιο συγκεκριμένα θα εστιάσουμε στον σχεδιασμό ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου και ενός μίκτη για ομόδυνο δέκτη, από τον συνδυασμό των οποίων θα προκύψει ολόκληρο το σύστημα λήψης ραδιοσυχνοτήτων. Ως εκ τούτου, το κυρίως μέρος της διατριβής αποτελείται από τρία ξεχωριστά τμήματα. Αρχικά θα παρουσιαστεί ο ενισχυτής χαμηλών συχνοτήτων, στην συνέχεια ο μίκτης και στο τέλος ο δέκτης ραδιοσυχνοτήτων. Αρχικά θα αναλυθεί ο σχεδιασμός ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου, μεγάλου εύρους ζώνης. Η υλοποίηση του κυκλώματος στηρίζεται στον ενισχυτή κοινής πυλής ο οποίος εν γένει, παρουσιάζει σταθερή αντίσταση εισόδου σε σχέση με την συχνότητα και είναι κατάλληλος για συστήματα ευρείας ζώνης. Επειδή όμως έχει μεγάλο δείκτη θορύβου στις υψηλές συχνότητες, χρησιμοποιείται επαγωγή συνδεδεμένη στην πύλη του τρανζίστορ, η οποία βελτιώνει πολύ την επίδοση του στο κέρδος και στο θόρυβο. Το κύκλωμα συμπληρώνεται από ένα σύστημα «ακύρωσης» του θορύβου. Ο σχεδιασμός ενός μίκτη για ομόδυνο δέκτη είναι ιδιαίτερα απαιτητικός. Υπάρχουν προβλήματα με τον χαμηλόσυχνο θόρυβο καθώς και με την μετατόπιση της συνεχούς στάθμης στην έξοδο. Ιδιαίτερα το πρώτο φαινόμενο γίνεται πολύ έντονο σε τεχνολογίες πολύ μεγάλης ολοκλήρωσης όπου το πάχος του οξειδίου είναι μικρό. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος, σχεδιάστηκε ένας μίκτης με παθητικό διακοπτικό τμήμα ο οποίος έχει πολύ καλή συμπεριφορά σε σχέση με τον θόρυβο στην έξοδο. Η τοπολογία που ακολουθήθηκε είναι αυτή του απλά εξισορροπημένου μίκτη, διότι παρουσιάζει καλύτερο κέρδος μετατροπής σε σχέση με τον δίπλα εξισορροπημένο. Τα δύο προαναφερθέντα κυκλώματα, συνδέθηκαν μεταξύ τους με κατάλληλο τρόπο προκειμένου να δημιουργηθεί το σύστημα επεξεργασίας του υψίσυχνου συστήματος. Η διαδικασία αυτή αν και φαίνεται τετριμμένη, απαιτεί προσεκτικούς χειρισμούς, αφού με σωστή διασύνδεση μπορούν να μειωθούν τα παρασιτικά φαινόμενα μεταξύ των δύο υποσυστημάτων. Πράγματι είναι ιδιαίτερα σημαντικό να προληφθούν προβλήματα όπως η διαρροή σήματος από την από τον τοπικό ταλαντωτή του συστήματος, στην είσοδο και στην έξοδο. Όλα τα κυκλώματα που αναφέρονται στην παρούσα διατριβή σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν σε τεχνολογίες CMOS με κλίμακα ολοκλήρωσης μικρότερη των 100 nm, γεγονός που προσδίδει επιπλέον ερευνητικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, ο μίκτης υλοποιήθηκε σαν ξεχωριστό κύκλωμα σε τεχνολογία ολοκλήρωσης 90nm ενώ το σύστημα επεξεργασίας του υψίσυχνου σήματος σχεδιάστηκε στα 65nm.

It is well known that the most important parts in every wireless communication system are the Low Noise Amplifier (LNA) and the down converter, which are set right after the antenna. These two integrated circuits strongly determine the performance of the whole system and that is why their design is an important field of research. As new demanding protocols of wireless communication came up, such as UWB, the interest on these systems haw raised. Furthermore, the development of integration technologies with smaller transistors in the range of 90 and 65 nm creates mature circumstances for the growth of integrated systems as well as the implementation of new techniques that improves the performance of those circuits. This thesis will present designing methods for both circuits referred above. More specifically, we will focus at the design of a low noise amplifier and a mixer for homodyne receivers. The combination of those two will give us the whole Radio Frequency Front End (RFFE). That’s why the main part of this thesis is constituted from three separated parts. At the beginning the LNA will be presented, the down converter and finally the RFFE. Firstly, the design of a wide band low noise amplifier will be described. The implementation of the circuit is based on the common gate topology that has stable input resistance over frequency and suitable for wide band systems. An inductance is used at the gate of the transistor to minimize noise and increase gain at high frequencies. The circuit is completed by a noise canceling technique for the lower spectrum region. The design of a homodyne mixer is extremelly demanding. There are several problems with the flicker noise and DC offset at the ouput. The first phenomenon becomes extremely tense in technologies of very large scale of integration where the thickness of the oxide is small. To confront this problem, a mixer with a passive mixing pair was designed, that had a very good performance compared to the noise at the exit. The topology that was followed is that of the simple balanced mixer and that because it seems to present a better gain conversion compared to the double balanced one. These two circuits where joined together in a specific way in order to create the RFFE. This process even though seems to easy, demands careful handle, to achieve the right connection in order to reduce the parasitic phenomena between the two subsystems. It is very important to prevent problems such as the leakage from the local oscillator of the system, to the input and to the output. All circuits mentioned at this thesis where designed and materialized with CMOS technologies and in an integration scale lower than 100nm and this fact gives to this thesis a great scientific interest. More specifically, the mixer was implemented as a separated circuit in a technology of 90 nm while the RFFE was designed in 65 nm.