Integrated radio frequency circuits for wideband receivers

Abstract

The multisystem, multiband problem in mobile terminals drives up the cost and complexity of the radios by requiring separate dedicated signal paths with discrete filtering. By removing the filters, the radios could be made more cost-efficient and flexible, and the signal path design would be simplified. However, in receivers, this demands that the front-end is capable of withstanding an extremely harsh interference environment while providing good sensitivity. This thesis concentrates on improving and developing receiver circuits that provide a wide reception bandwidth and tolerance against blockers. Wideband receiver circuits are an attractive option to implement the future resource sharing radios with less dedicated hardware. A wideband dual-loop feedback LNA implemented in thiswork enables simultaneous matching and flat gain response over a 1.6 GHz reception bandwhile only requiring a single inductor in the shunt-peeked load of the LNA. The use of awideband LNA in a 60 GHz receiver has also been demonstrated. Additionally, wideband buffering circuits are reviewed and compared in this thesis. The fast switching speed of the CMOS technology acts as the key enabler for the research performed in this work. One structure that utilizes this property is the N-path filter, which has been extensively utilized in the circuits presented. A feedback N-path filter in a wideband 2-to-6-GHz LNA has been implemented and analyzed. The analysis provides the evaluation of different design trade-offs and a guide to design such a system. Another circuit to use the N-pathfilter is the 0.7-to-2.7-GHz mixer-first receiver that was implemented together with a wideband CCE antenna. The work highlights the key challenges when wideband interfaces are implemented and suggests a solution to circumvent part of the challenges. The integrated circuit includes low-noise and low-distortion baseband stages to provide good overall performance. Additionally, the circuit demonstrates a novel duty-cycle control circuit fortuning the mixer-first receiver performance. This thesis also includes an analysis and implementation of an active polyphase filter for LO quadrature generation. The analysis provides means for designing stable two-stage APPFs with optimal gain, image rejection ratio and bandwidth while being stable. This is demonstrated in a 1-to-5-GHz APPF that was implemented

Tässä väitöskirjassa on keskitytty kehittämään ja parantamaan laajakaistaiseen vastaanottoon ja hyvään häiriönsietoon kykeneviä radiovastaanotinmikropiirejä. Niiden avulla vastaanottimet voitaisiin toteuttaa yksinkertaisemmin ja edullisemmin. Lisäksi ne voisivat toimia joustavammin. Laajakaistaiset vastaanotinpiirit ovat yksi mahdollinen vaihtoehto kun pyritään toteuttamaan seuraavien sukupolvien radioita kustannustehokkaasti. Tässä työssä on kehitetty laajakaistainen kaksoistakaisinkytketty pienikohinainen vahvistin, joka kykenee samanaikaisesti saavuttamaan tasaisen taajuusvasteen ja riittävän sovituksen 1.6 GHz -taajuuskaistalla vain yhtä kelaa hyödyntäen. Väitöskirjassa on lisäksi toteutettu laajakaistainen vahvistin osana 60 GHz -millimetriaaltovastaanotinta. Työssä on myös vertailtu laajakaistaisia puskurirakenteita. Nykyaikaisen CMOS-prosessiteknologian nopea kytkeytymisnopeus on keskeisessä roolissa tässä työssä kehitetyissä piiriratkaisuissa. Eräs rakenne joka hyödyntää tätä ominaisuutta on monitiesuodatin. Tässä väitöskirjassa monitiesuodattimia on käytetty laaja-alaisesti eri vastaan-otinratkaisuissa. Monitiesuodatinta on hyödynnetty muun muassa takaisinkytketyssälaajakais-taisessa 2--6 GHz -vastaanottimessa, joka on analysoitu ja toteutettu. Kehitetty analyysi mahdollistaa kyseisen vastaanottimen suorituskykyriippuvuuksien tarkastelun ja optimoinnin. Toinen vastaanotintoteutus, joka hyödyntää monitiesuodatinta, on 0.7--2.7 GHz-suorasekoitin-vastaanotin. Työssä toteuttiin vastaanottimen suunnittelu ja yhdistäminen laajakaistaisen CCE- antennin kanssa. Antennin yhdistämisen mukanaan tuomia haasteita on käsitelty sekä esitetty ratkaisu, joka ratkaisee osan haasteista. Lisäksi vastaanottimessa on toteuttettu vähäkohinaiset sekä pienisäröiset kantataajuusvahvistimet, jotka mahdollistavat hyvän kokonaissuorituskyvyn. Koska suorasekoitinvastaanottimessa suorituskyky riippuu keskeisesti sekoittimen suorituskyvystä, on tässä työssä lisäksi kehitetty analoginen kellonpulssisuhteen säätöpiiri, jonka avulla sekoittimen toimintaa kyetään säätämään. Väitöskirjassa on kehitetty paikallisoskillaattoripolulle aktiivinen monivaihesuodatin, jonka avulla voidaan synnyttää kvadratuurisignaali sekoitinta varten. Työssä kehitetyn analyysinpohjalta voidaan suunnitella stabiili kaksiasteinen monivaihesuodatin, jolla on optimaalinenvahvistus, peilitaajuusvaimennus sekä toimintakaista. Toteutettu koepiiri mittaustuloksineen todentaa kehitetyn suodattimen toimivuuden 1--5 GHz -radiotaajuusalueella.