Παρακαλώ χρησιμοποιήστε αυτό το αναγνωριστικό για να παραπέμψετε ή να δημιουργήσετε σύνδεσμο προς αυτό το τεκμήριο: http://artemis.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/8613
Τίτλος: Μελετη Μικτων Για Τηλεπικοινωνιακα Συστηματα: Αναλυση Γραμμικοτητας Με Χρηση Σειρων Volterra Και Σχεδιαση Ολοκληρωμενων Μικτων 1-v Cmos Για Wlan Εφαρμογες
Συγγραφείς: Γερασιμος Θεοδωρατος
Παπανάνος Ιωάννης
Ημερομηνία έκδοσης: 5-Οκτ-2007
Περίληψη: Οι μίκτες είναι στοιχεία μεγάλης σημαντικότητας για την αρχιτεκτονική καθεμιάςουσιαστικά τηλεπικοινωνιακής εφαρμογής. Τυχόν χαμηλές επιδόσεις των κυκλωμάτων τωνμικτών, κυρίως σε όρους μη-γραμμικής παραμόρφωσης, επιβαρύνουν σημαντικά τηδυναμική περιοχή των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Η διάταξη του Gilbert cell μίκτηείναι αυτή η οποία έχει επικρατήσει στην πλειονότητα των σύγχρονων εφαρμογών, καθώςεπιφέρει πλεονεκτήματα, όπως: μεγάλο κέρδος μετατροπής, υψηλή απομόνωση μεταξύ τωνθυρών του μίκτη, ικανοποιητικές επιδόσεις θορύβου και ένα εξαιρετικό συμβιβασμό μεταξύκατανάλωσης ισχύος και επιδόσεων γραμμικότητας. Οι ολοκληρωμένοι μίκτες μπορούν νακατασκευαστούν σε καθαρές διπολικές (bipolar), υβριδικές (BiCMOS) ή καθαρές CMOSτεχνολογίες. Αν και οι BiCMOS μίκτες εμφανίζονται να υπερτερούν αναφορικά με τιςσυνολικές επιδόσεις των μικτών, υπάρχει μία σύγχρονη τάση να εγκαταλειφθούν και νααντικατασταθούν από τους αντίστοιχους CMOS στους σύγχρονούς ασύρματουςπομποδέκτες. Η τάση αυτή οφείλεται στο ότι οι σύγχρονες submicron CMOS τεχνολογίεςέχουν το προνόμιο του εξαιρετικά μικρού κόστους κατασκευής καθώς και ικανοποιητικέςεπιδόσεις στις υψηλές συχνότητες.Παρ’ όλα αυτά, καθώς τα MOS στοιχεία εξακολουθούν να συρρικνώνονται όλο καιπερισσότερο και η τάση τροφοδοσίας των συστημάτων μικραίνει συνεχώς σε επίπεδα κοντάή και χαμηλότερα του 1 V, τα προβλήματα που προκαλούνται από τα εγγενώς μη-γραμμικάχαρακτηριστικά των συσκευών εντείνονται ακόμη περισσότερο. Για το λόγο αυτό, ηβελτιστοποίηση της σχεδίασης ενός μίκτη είναι ιδιαίτερα κρίσιμη, προκειμένου ναεπιτευχθούν οι σχεδιαστικές απαιτήσεις των σύγχρονων ασύρματων συστημάτωνεπικοινωνίας. Ωστόσο, η πολύπλοκη φύση του μηχανισμού παραγωγής προϊόντωνπαραμόρφωσης στους ενεργούς CMOS μίκτες καθιστά μη-πρακτική και σε κάποιεςπεριπτώσεις αδύνατη -για τους σχεδιαστές- την εξαγωγή της ακριβούς συνάρτησηςμεταφοράς τους με απλούς στο χέρι υπολογισμούς. Η βελτιστοποίηση, λοιπόν, ενόςκυκλώματος μίκτη συχνά λαμβάνει χώρα έπειτα από αρκετούς σχεδιαστικούς κύκλους υπόμία διαδικασία συνεχών "δοκιμών" και βελτιστοποιήσεων, η οποία βασίζεται σεκυκλωματικούς προσομοιωτές που λειτουργούν είτε στο πεδίο του χρόνου είτε στο πεδίο τηςσυχνότητας και συνήθως είναι εξαιρετικά χρονοβόρα. Επιπρόσθετα, η διαρκής μείωση τηςτάσεως τροφοδοσίας επιβάλλει αρκετές προκλήσεις στη σχεδίαση των αναλογικών μερώντων ολοκληρωμένων συστημάτων. Ο βασικότερος λόγος είναι ότι οι συμβατικέςκυκλωματικές τοπολογίες είναι μη-πρακτικές όταν απαιτούνται εξαιρετικά χαμηλές τάσειςτροφοδοσίας.Στη συγκεκριμένη διατριβή, παρουσιάζεται μία πλήρης ανάλυση παραμόρφωσηςενδοδιαμόρφωσης για ενεργούς CMOS μίκτες βασιζόμενη στη θεωρία των σειρών Volterra.Η θεωρία αυτή χρησιμοποιείται επειδή υπερτερεί των κλασικών "χρονικών" και"αντιστάθμισης αρμονικών" αναλύσεων λόγω των περιορισμένων υπολογισμών πουχρειάζεται, της υψηλής απόδοσης και της μεγάλης της ακρίβειας, αφού υπολογίζει πολύ πιοάμεσα την παραμόρφωση. Μοντελοποιώντας τoν μίκτη ως ένα περιοδικό χρονικά μεταβλητόασθενώς μη-γραμμικό κύκλωμα, προκύπτουν διαφορικές εξισώσεις από τις οποίες μπορεί ναυπολογιστεί η παραμόρφωση ενδοδιαμόρφωσης με μεγάλη ακρίβεια. Ιδιαίτερη έμφαση έχειδοθεί σε τοπολογίες μικτών κατάλληλες για λειτουργία σε χαμηλές τάσεις τροφοδοσίας.Παρ’ όλα αυτά, η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι πλήρως γενική και μπορεί εύκολα νατροποποιηθεί, προκειμένου να συμπεριλάβει οποιαδήποτε κυκλωματική τοπολογία μίκτη. Σεαντίθεση με προηγούμενες εργασίες, η γραμμικότητα των μικτών υπολογίζεταισυμπεριλαμβάνοντας ολόκληρη τη διάταξη του μίκτη στην ανάλυση, αντί του ναδιασπάσουμε τον μίκτη σε δύο (ή και περισσότερα) μέρη και επομένως λαμβάνονται υπόψηόλες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του σταδίου εισόδου και του διακοπτικού σταδίου.Επιπροσθέτως, τα MOS τρανζίστορ του κυκλώματος του μίκτη δε μοντελοποιούνται από μίααπλή μαθηματική φόρμουλα, αλλά από ένα πλήρες βιομηχανικό μοντέλο το οποίοχρησιμοποιήθηκε για τη σωστή και ακριβή εξαγωγή των αποτελεσμάτων. Στα πλαίσια τηςδιατριβής αναπτύχθηκε, επίσης, ένα υπολογιστικό πρόγραμμα, προκειμένου να αξιοποιηθείη θεωρητική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε. Το εργαλείο αυτό επιτρέπει μία εύκολη καιεξαιρετικά γρήγορη βελτιστοποίηση των επιδόσεων γραμμικότητας του μίκτη. Τααποτελέσματα των εξομοιώσεων του εργαλείου που αναπτύχθηκε ταιριάζουν εξαιρετικά μεαυτά που προκύπτουν από τους δημοφιλείς εμπορικούς προσομοιωτές, ενώ ο χρόνοςπροσομοίωσης μειώνεται περισσότερο από μία τάξη μεγέθους.Στη διατριβή αυτή εισάγονται επίσης δύο σχεδιαστικές προσεγγίσεις μικτώνκατάλληλων για λειτουργία σε χαμηλές τροφοδοσίες. Η πρώτη τοπολογία μίκτη παρουσιάζειμία νέα συνδυαστική μέθοδο των τεχνικών "ελεγχόμενης απώλειας ρεύματος" και"επαγωγικού συντονισμού", συνοδευόμενη από μία καινοτομική τεχνική "προσαρμοζόμενηςπόλωσης", προκειμένου να επιτευχθεί ταυτόχρονη βελτιστοποίηση των επιδόσεων του μίκτηαναφορικά με το κέρδος μετατροπής, το θόρυβο και τη γραμμικότητα. Η δεύτερηπροτεινόμενη τοπολογία μίκτη αντιμετωπίζει ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα τωνολοκληρωμένων μικτών, αυτό της περιορισμένης απομόνωσης μεταξύ των θυρών τουσήματος του τοπικού ταλαντωτή και του σήματος εισόδου, ενώ διατηρεί όλα ταπλεονεκτήματα της προηγούμενης τοπολογίας. Εκτός των άλλων εισάγει επίσης μίακαινοτομική τεχνική διάχυσης δευτέρας τάξεως αρμονικών, η οποία βελτιώνει εξαιρετικά τιςεπιδόσεις γραμμικότητας, κάνοντάς τις συγκρίσιμες με αυτές των αντίστοιχων παθητικώνμικτών. Στο τέλος της διατριβής, παρουσιάζεται το υψίσυχνο μέρος ενός ασύρματου δέκτηγια ευρυζωνικές ασύρματες εφαρμογές κατάλληλου για χαμηλής τάσης τροφοδοσίαςλειτουργία, ο οποίος κατασκευάσθηκε και μετρήθηκε προκειμένου να καταστεί σαφές τοπόσο σημαντική είναι η βελτίωση των επιδόσεων ενός δέκτη με την εφαρμογή τωνσχεδιαστικών τεχνικών που προτάθηκαν.ABSTRACTMixers are components of paramount importance for the architecture of virtuallyevery telecommunication application. A poor mixer performance, especially in terms ofnonlinear distortion, greatly aggravates the dynamic range of the overall system. The Gilbertcell mixer configuration is the one that has prevailed in the majority of applications as itentails advantages such as large conversion gain, high port-to-port isolation, sufficient noiseperformance and a good compromise between power consumption and linearityperformance. Integrated mixers can be manufactured in a pure bipolar, BiCMOS or CMOSprocess. Although BiCMOS mixers appear to be superior regarding the overall mixerperformance, there is a recent trend for them to be abandoned in favor of their CMOScounterparts in modern radio transceivers. This stems from the fact that contemporarysubmicron CMOS processes enjoy much lower fabrication cost and satisfactory highfrequencyperformance.Nevertheless, as MOS devices continue to shrink into deep submicron regions andthe supply voltage scales down to levels around or even below 1 V, the problems caused inthe system by the inherent nonlinear characteristics of the devices are intensified. Therefore,the mixer’s optimization is vital in meeting the stringent requirements of new wireless radiocommunication systems. However, the complex nature of distortion-producing mechanismsin active CMOS mixers makes it impractical for the designer to extract the circuit’s exacttransfer function by a "pen-and-paper" approach. Thus, frequently, the optimization takesplace in a "trial-and-error" basis that relies upon time domain simulations which can beextremely time consuming. Additionally, the voltage scaling imposes many challenges in thedesign of the analog part of an integrated system. The main reason is that conventionaldesign topologies become impractical when the lowest possible power supply is aimed.In this Thesis, a complete intermodulation distortion analysis for active CMOSmixers based on Volterra series theory is presented. Volterra series theory is used as itoutweighs the classic transient and harmonic balance analyses in computational efficiencyand accuracy because it directly calculates distortion. By modeling the mixer as aperiodically-time-varying weakly nonlinear circuit, equations are derived for accuratelycalculating its distortion performance. Particular emphasis has been given in mixertopologies suitable for low voltage operation. Nevertheless, the proposed methodology isgeneric and can easily be modified so as to cover any mixer topology. In contrast withprevious works, the linearity of the mixer is calculated by considering the whole mixercircuitry, instead of splitting it into parts, and thus, taking into account all the interactionsbetween the input and switching stages. In addition, the mixer’s MOS transistors are notmodeled by a simple mathematical formula but a complete industry standard model isemployed. A computer program which utilizes the proposed analysis has been developed.The software tool allows a fast user-friendly optimization of the mixer’s linearityperformance. Simulation results from the implemented tool show excellent match with thoseobtained by popular commercial simulators, whereas the simulation time is reduced by morethan an order of magnitude.Two design approaches for mixer design suitable for low voltage operation are alsointroduced. The first mixer topology presents a new, combined method of the "currentbleeding"technique and the "inductive-resonance" parasitic capacitance neutralizationmethod, accompanied by a novel -first time reported- adaptive biasing scheme in order toachieve simultaneous optimization for gain, noise and linearity performance. The secondmixer approach addresses one of the most important problems in integrated mixers, namelythe limited LO to RF isolation, while preserving all the advantages of the previous topology.It also introduces a novel methodology for second harmonic injection that significantlyenhances the linearity performance, making it comparable with their passive mixercounterparts. Finally, a receiver front-end module for Broadband Wireless applicationssuitable for low voltage operation has been manufactured and measured in order to prove theperformance improvement with the application of the proposed techniques.
URI: http://artemis-new.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/8613
Εμφανίζεται στις συλλογές:Διδακτορικές Διατριβές - Ph.D. Theses

Αρχεία σε αυτό το τεκμήριο:
Αρχείο ΜέγεθοςΜορφότυπος 
PD2007-0037.pdf3.05 MBAdobe PDFΕμφάνιση/Άνοιγμα


Όλα τα τεκμήρια του δικτυακού τόπου προστατεύονται από πνευματικά δικαιώματα.