Σχεδίαση και ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για συστήματα υπερευρείας ζώνης με έμφαση στα κυκλώματα του δέκτη

Abstract

The domain of RF engineering for electronic circuits, targeting the application of telecommunication systems, constitutes a field of intense research activities. The UWB protocol that occupies a frequency spectrum between 3.1 and 10.6 GHz is the subject of the current work which aims to the design, fabrication and measurement of electronic circuits with emphasis put on the receiver’s RF front end. The initial focus of the research work targets the Low Noise Amplifier (LNA) circuit, a demanding and challenging circuit that being at the very front of the receiver’s chain, has to compromise among different and contradictory requirements, namely the extended bandwidth, the gain, the power and chip area consumption and the noise performance. Existing topologies in the literature were explored and classified and two among them were selected for further research. The first fabricated chip includes three LNAs, two of which apply the common source topology with input bandpass filter and inductive source degeneration and their difference lies in the measurement method. One amplifier is measured on wafer while the other is mounted on board. That way, intuition is acquired regarding the effect of the bondwires that act as the interface between the chip and the board. At the same time, ESD protection strategy is applied as the chip is more vulnerable to static currents. The third LNA is based on the feedback topology and constitutes a work of novelty, where bandwidth extension techniques were applied, comprising of inductive elements. The following measurement procedure was successful indicating an upper frequency of operation for the feedback LNA up to 7GHz. The focus of the work after the LNAs was shifted to system level for the implementation of the total RF front end of the receiver up to 10.6GHz. The system comprises an improved version of the feedback LNA followed by two identical paths, each one consisting of a mixer, a high pass filter and an output buffer at 50 Ohm for measurement purpose. The challenges that are mostly highlighted are the mixer design in conjunction with the necessary balun interface from the single ended output of the LNA to the differential mixer. A novel technique is proposed for the balun that builds on the differential pair topology and provides coupling between the load elements that both are implemented with a center tapped inductor. That way the designed balun achieves balanced outputs in terms of amplitude and phase. The technique is supported by mathematical analysis and the comparison between computed and simulated results show convergence. The resulting mixer that includes the balun belongs to the folded cascode differential connection. Μoreover, given the limitations of the available measurement equipment, several layout techniques were applied; particularly in the issue of the external LO signal feeding. The two quadrature LO signals are provided in single ended form and traverse the chip by two equal length transmission lines that are separated at the center of the chip and reach the on chip single to differential converters that are placed close to the mixers. In every critical point, care is taken to shield the high frequency signals from interferences. In any case, the placing of a high number of individual elements that have different requirements on the same chip requires for compromises, while layout techniques and rules of thumb have been applied to the maximum extend. The final proposed architecture belongs to the direct conversion category and worked successfully up to the frequency of 8.5GHz. It achieves gain of 25dB, double sideband noise figure of 7dB and power consumption of 62.7 mW.

Η περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων (RF) για σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για τηλεπικοινωνιακά συστήματα αποτελεί ένα χώρο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Το πρότυπο υπερευρείας ζώνης με την ονομασία Ultra Wideband (UWB), που καταλαμβάνει συχνότητες από 3.1-10.6 GHz, αποτέλεσε αντικείμενο της παρούσης έρευνας με σκοπό την σχεδίαση, κατασκευή και μέτρηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με έμφαση στα κυκλώματα του μπροστινού τμήματος του UWB δέκτη. Η κατανόηση της λειτουργίας του πομποδέκτη και των παραμέτρων λειτουργίας σε επίπεδο συστήματος αποτέλεσε την αρχική προσέγγιση, με σκοπό τον καθορισμό των προδιαγραφών λειτουργίας των πιο κρίσιμων στοιχείων. Η ανάλυση έλαβε χώρα τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο εξομοίωσης και τα ηλεκτρονικά στοιχεία των υψηλών συχνοτήτων όπως είναι ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου (Low Noise Amplifier - LNA) καθώς και ο μίκτης είναι τα πιο απαιτητικά στη σχεδίαση. Η έρευνα επικεντρώθηκε αρχικά στο κύκλωμα του ενισχυτή χαμηλού θορύβου , το οποίο ευρισκόμενο αμέσως μετά την κεραία λήψης, καλείται να ικανοποιήσει πολλές και αντικρουόμενες μεταξύ τους απαιτήσεις όσον αφορά το εύρος ζώνης, το κέρδος, την κατανάλωση ενέργειας και επιφανείας πυριτίου και το θόρυβο. Στα πλαίσια της μελέτης εξερευνήθηκαν και αξιολογήθηκαν οι υφιστάμενες τοπολογίες που έχουν εμφανιστεί στη βιβλιογραφία και επιλέχθηκαν δύο από αυτές για περαιτέρω διερεύνηση. Το πρώτο ολοκληρωμένο που κατασκευάστηκε περιλαμβάνει τρεις ενισχυτές, οι δύο από αυτούς χρησιμοποιούν την τοπολογία κοινής πηγής με φίλτρο εισόδου και πηνίο στην πηγή (inductive source degeneration) και διαφέρουν στον τρόπο μέτρησης, όπου ο ένας ενισχυτής μετράται πάνω στο ολοκληρωμένο (on-wafer probing) και ο έτερος τοποθετείται σε πλακέτα (chip on board). Με τον τρόπο αυτό αποκτάται διαίσθηση όσον αφορά την επίδραση των παρασιτικών που υπεισέρχονται εξαιτίας των διασυνδέσεων των αγωγών (bondwires) μεταξύ ολοκληρωμένου και πλακέτας. Ταυτόχρονα για τον συγκεκριμένο ενισχυτή εφαρμόζεται και στρατηγική προστασίας από ηλεκτροστατικά φορτία (ESD). Ο τρίτος ενισχυτής βασίζεται στην τοπολογία ανάδρασης και αποτέλεσε προϊόν πρωτότυπης έρευνας και χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές διεύρυνσης του εύρους ζώνης λειτουργίας με χρήση επαγωγικών στοιχείων. Οι μετρήσεις που επακολούθησαν την κατασκευή αποδείχθηκαν επιτυχείς και κατά κανόνα υπήρξε σύγκλιση με την εξομοίωση. Ο τρίτος ενισχυτής παρουσιάζει την πιο ανταγωνιστική απόδοση και είναι ικανός να λειτουργήσει μέχρι τα 7GHz. Επακόλουθο της κυκλωματικής μελέτης των ενισχυτών χαμηλού θορύβου υπήρξε η εστίαση σε επίπεδο συστήματος για την κατασκευή του συνολικού RF τμήματος του δέκτη σε ολοκληρωμένο και για λειτουργία μέχρι τα 10.6GHz. Το σύστημα περιλαμβάνει τον LNA της τοπολογίας με ανάδραση και στη συνέχεια δύο πανομοιότυπα μονοπάτια αποτελούμενα το καθένα από μίκτη, υψιπερατό φίλτρο και απομονωτή εξόδου στα 50 Ω για τις ανάγκες της μέτρησης. Ως κύριες προκλήσεις ανέκυψαν ο σχεδιασμός του μίκτη και κυρίως της διεπαφής με τον LNA, ο οποίος παρέχει σήμα μονής εξόδου ενώ ο μίκτης λειτουργεί διαφορικά. Στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκε μια τεχνική για κύκλωμα μετατροπής μονού σε διαφορικό σήμα (balun), η οποία συνδυαζόμενη με την τοπολογία του μίκτη που επελέγη, ουσιαστικά ενσωματώνεται στο μίκτη και παρέχει διαφορικά σήματα με πολύ καλή ακρίβεια στο πλάτος και τη φάση. Το balun βασίζεται στην τοπολογία του διαφορικού ζεύγους και επεκτείνει πάνω σε αυτήν με χρήση πηνίου που στο κέντρο του παρέχει έναν τρίτο ακροδέκτη διασύνδεσης στην τροφοδοσία. Καταυτόν τον τρόπο λαμβάνει χώρα σύζευξη μεταξύ των φορτίων του balun που εγγυάται την ακρίβεια των μεγεθών που προαναφέρθηκαν. Η τεχνική υποστηρίζεται από ενδελεχή μαθηματική ανάλυση και παρουσιάζονται συγκρίσεις μεταξύ θεωρίας και εξομοίωσης με σύγκλιση μεταξύ των. Ο μίκτης που κατέληξε η έρευνα ανήκει στην κατηγορία της συνδεσμολογίας folded cascode. Δεδομένων επίσης των περιορισμών που υπήρχαν στον εξοπλισμό μέτρησης εφαρμόστηκαν τεχνικές με πιο σημαντική την τροφοδότηση των σημάτων ταλαντωτή τα οποία εσωτερικά του ολοκληρωμένου μετατρέπονται σε διαφορικά και καθοδηγούνται για αποφυγή ασυμμετριών σε ισομήκης μεταλλικές γραμμές μεταφοράς. Σε όλα τα κρίσιμα σημεία έχει προβλεφτεί στρατηγική θωράκισης των υψίσυχνων σημάτων ενώ η τοποθέτηση ενός πολύ μεγάλου αριθμού στοιχείων στο πυρίτιο υπήρξε προϊόν συγκερασμού διαφορετικών απαιτήσεων στη χωροταξία τους με πολυάριθμες τεχνικές και εμπειρικούς κανόνες να έχουν εφαρμοστεί. Η τελική προτεινόμενη αρχιτεκτονική τύπου άμεσης μετατροπής παρόλα τα σχεδιαστικά ρίσκα που είχαν ληφθεί, λειτούργησε επιτυχώς μέχρι και τα 8.5GHz επισφραγίζοντας την συνολική προσπάθεια.