A Low-Voltage CMOS Quadrature Modulator for WCDMA

Abstract

This thesis work examines the suitability of a 1.2 V CMOS process for integrating quadrature modulators. The theoretical part of this thesis investigates the basic concepts of modulation and the basic theory of the building blocks of quadrature modulators: quadrature generation circuits, mixers and load circuits. Also the figures of merits of a quadrature modulator are discussed.

A quadrature modulator was designed targeting an output power of 6 dBm. This power target was found to be unattainable because of the low breakdown voltage of the transistors and was lowered to 0 dBm. In the designed modulator a double-frequency clock signal is used and the quadrature LO signals are generated with a flip-flop-based divider. Inverter amplifiers are used as LO buffers. The modulator core includes two identical modified Gilbert-cell mixers and the currents of the mixers are summed up in a common load network.

In single-sideband measurements the modulator achieves output power from -2.5 to -1.9 dBm to a 100 n load over the frequency band of 1.85 -1.98 GHz. With clock signal power of-5 dBm the highest measured unwanted sideband level is -27.7 dBc, the highest level of the baseband third-order harmonic products -41.6 dBc, and the highest level of the baseband second-order harmonic products is -35.4 dBc. The highest measured carrier leakage is -30.1 dBc. With modulated baseband sources the measured ACLR is -44.8 dB and EVM is 2.4 % (rms average). The current consumption in nominal conditions is 45.5 mA from a 1.2 V supply. The measured level of baseband second-order harmonic products is significantly higher than the simulated, but otherwise the measured results correspond to the simulations relatively well.

Voltage biasing is used and the modulator is not compensated for temperature variations, and therefore the measured output power varies from -0.8 to -3.9 dBm when the temperature is swept from -10°C to +85°C.

Tässä diplomityössä tutkittiin 1,2 V:n CMOS-prosessin sopivuutta kvadratuurimodulaattorin integroimiseen. Työn teoriaosassa käsitellään modulaatioita yleisesti ja kvadratuurimodulaattorien osien (kvadratuuristen LO-signaalien tuottamiseen käytetyt piirit, sekoittimet ja kuormapiirit) teoriaa. Myös modulaattorin suorituskykyä kuvaavat suureet käydään läpi teoriaosassa.

Työssä suunniteltiin modulaattori, jonka ulostulotehon tavoitteena oli 6 dBm. Transistorien breakdown-jännite osoittautui kuitenkin rajoittavaksi tekijäksi, joten ulostulotehon tavoitetta laskettiin ja uudeksi tavoitteeksi asetettiin 0 dBm. Suunnitellussa modulaattorissa k1iytetaan kaksinkertaisella taajuudella olevaa kellosignaalia ja kvadratuuriset LO-signaalit luodaan flipflopeihin perustuvalla taajuusjakajalla. Invertteri-vahvistimia käytetään LO-puskureina. Modulaattorin ydin koostuu kahdesta identtisestä hieman muunnellusta Gilbert-cell sekoittimesta, joiden virrat summataan yhteisessä kuormapiirissä.

Single-sideband-konfiguraatiossa modulaattorin ulostuloteho 100 n differentiaaliseen kuormaan vaihtelee välillä -2,5 ... -1,9 dBm taajuusalueella 1,85 -1,98 GHz. Kellosignaalin teholla -5 dBm suurin mitattu peilitaajuuden taso on -27,7 dBc, kantataajuuden kolmannen harmonisen komponentin taso -41,6 dBc ja kantataajuuden toisen harmonisen komponentin taso -35,4 dBc. Suurin mitattu kantoaallon taso on -30,1 dBc. Moduloitujen kantataajuussignaalien kanssa ACLR:lle mitattiin arvo -44,8 dB ja EVM:lle arvo 2,4 % (rms keskiarvo). Virrankulutus on 45,5 mA 1,2 voltin jännitelähteestä. Mitattu toisen harmonisen taso oli paljon ylempänä kuin simuloitu arvo, mutta muuten mitatut tulokset vastaavat suhteellisen hyvin simuloituja.

Modulaattorin biasvirrat riippuvat täysin kantataajuus-sisääntulojen DC-jännitetasosta, eikä modulaattoria ole mitenkään kompensoitu lämpötilavaihteluja ajatellen. Tämän vuoksi mitattu ulostuloteho vaihtelee välillä -0,8 ... -3,9 dBm lämpötila-alueella -10°C ... +85°C.