Integrated Circuits for Linear and Efficient Receivers

Abstract

This dissertation presents original research contributions in the form of five integrated circuit (IC) implementations and seven scientific publications. They present advances related to high-Q resonators, DC-DC converters, and programmable RF front-ends for integrated wireless receivers. Because these three building blocks have traditionally required implementations that are partly external to the IC, the ultimate target is to reduce system size, cost, and complexity. Wireless receivers utilize high-Q resonators for accurate frequency synthesis and signal filtering, typically by relying on external quartz resonators and rigid surface acoustic wave filters. The above-IC implementation of bulk acoustic wave (BAW) resonators and the use of programmable on-chip N-path filtering offer interesting integrable alternatives. Accordingly, this dissertation demonstrates a 2.1-GHz voltage controlled oscillator (VCO) in 250-nm SiGe:C BiCMOS, based on an above-IC BAW resonator. Furthermore, N-path filtering is investigated in a 2.5-GHz narrowband RF front-end in 40-nm CMOS. It achieves more than 10 dB of interferer filtering early in the RF chain, and the original analysis details the counter-intuitive behavior of the N-path filter when it is used together with LC-based filters. Receiver power management requires the use of step-down DC-DC converters between the external battery and the integrated receiver circuitry. The related switching regulators are typically based on low-frequency operation, which requires external filtering components. In contrast, this dissertation presents a fully integrated 3.6-to-1.8-V buck converter in 65-nm CMOS that uses switching frequencies of more than 100 MHz. A topology-independent switch bridge optimization approach is also proposed. The measurement results demonstrate the feasibility of integration, although with compromised performance. Finally, the software-defined radio paradigm operates on the premise of radio and RF front-end programmability. This calls for A/D conversion as close to the antenna interface as possible. This dissertation presents original work on a 40-nm CMOS direct delta-sigma receiver (DDSR) for the 0.7-to-2.7-GHz frequency range. Particular emphasis is put on developing new methods for DDSR RF front-end modeling and design.

Tässä väitöskirjassa esitellään viiteen mikropiiriin ja seitsemään tieteelliseen julkaisuun sisältyviä tutkimustuloksia, jotka keskittyvät integroituihin langattomiin vastaanottimiin. Ne liittyvät korkean hyvyysluvun resonaattoreihin, DC-DC -muuntimiin ja ohjelmoitaviin RF-etupäihin. Koska näiden kolmen lohkon toteutus on perinteisesti vaatinut ulkoisia komponentteja, tässä työssä esitetyt tulokset tähtäävät vastaanottimen koon, hinnan ja monimutkaisuuden vähentämiseen. Langattomat vastaanottimet hyödyntävät korkean hyvyysluvun resonaattoreita tarkkaan taajuussynteesiin ja signaalien suodattamiseen. Tyypillisesti tämä perustuu ulkoisille kideresonaattoreille ja pinta-aaltosuotimille. Mikropiirin päälle toteutettavat massa-aaltoresonaattorit ja ohjelmoitavat monitiesuodattimet tarjoavat mielenkiintoisia integroitavia vaihtoehtoja. Massa-aaltoresonaattoria hyödynnetään tässä työssä 2,1 GHz:n alueelle tarkoitetussa jänniteohjatussa oskillaattorissa, joka on toteutettu 250 nm:n SiGe:C BiCMOS-teknologialla. Monitiesuodatusta tutkitaan 2,5 GHz:n RF-etupäässä, joka on toteutettu 40 nm:n CMOS-teknologialla. Sillä saavutetaan yli 10 dB:n häiriösuodatus, ja aiheesta esitetty alkuperäisanalyysi tarkastelee monitiesuodattimen ja LC-suodattimen yhdistämiseen liittyvää käyttäytymistä. Vastaanottimissa käytetään DC-DC -muuntimia sovittamaan ulkoisen akun korkea jännite mikropiirin tarvitsemalle tasolle. Tässä käytetyt matalataajuiset hakkurimuuntimet tarvitsevat yleensä ulkoisia komponentteja. Tässä väitöskirjassa esitellään 65 nm:n CMOS-teknologialla toteutettu hakkurimuunnin, joka puolittaa 3,6 voltin akkujännitteen yli 100 MHz:n kytkentätaajuutta käyttäen. Tähän liittyen esitellään myös tarkasta toteutustavasta riippumaton optimointimenetelmä. Mittaustulokset osoittavat muuntimen integroinnin olevan mahdollista, mutta toimintatehokkuudessa joudutaan tekemään kompromisseja. Ohjelmistoradio nojaa ajatukseen radion ja RF-etupään ohjelmoitavuudesta. Analogia-digitaali -muunnos olisi siksi hyvä tehdä mahdollisimman lähellä antennirajapintaa. Tähän aiheeseen liittyen väitöskirjan viimeinen osio esittelee uusia mallinnus- ja suunnittelumenetelmiä nk. delta-sigma -suoramuunnosvastaanottimen RF-etupäälle. Lisäksi esitellään 40 nm:n CMOS-teknologialla tehty toteutus 0,7-2,7 GHz:n taajuusalueelle.