The 21st century is the era of multimedia. Nobody does deny this prophecy. Nowadays, CPU producers, such as Intel, Motorola, etc., are struggling with development of multimedia-based equipment. Especially, mainly due to inclined human sensitivity on optical signals, visual equipment is designated as the leading product of multimedia. In the DTV system applications, the broadcasting camera provides an image, which is processed for broadcasting, and the image is transmitted through a transmitter at a broadcasting industry. The transmitted signal is received by a domestic tuner and is watched at a television. The broadcasting camera and the television need an analogue signal processing block, a gamma corrector, for compensating their nonlinearities. Also, the transmission and receiving the signal are capable with using of RF and IF frequency translators, mixers. The thesis provides the design of mixers and gamma corrector for DTV system applications.
The Part Ⅰ of the thesis presents the novel double-upconverter with half-LO frequency for the first mixer and the general purpose MODEM that can be used as the second mixer. In order to overcome disadvantages of the conventional architecture of the mixers, newly presented architectures are adopted, which are proved to possess the superiority including relevant half-LO frequency with low system power dissipation, an inherent image-rejection capability, and an architectural degeneration of feedthroughs. These are confirmed through qualitative and quantitative analyses with comparisons of the architectures of conventional mixers. Finally, the newly proposed architecture of the double-upconverter is implemented with 0.8㎛ N-well CMOS technology and the simulation verifies the architectural superiority. It is in the process and redesign for BiCMOS technology. Also, the MODEM is implemented in SiGe BiCMOS technology and its characteristic is confirmed with simulations and experiments.
The simulation and layout of the double-upconverter are performed in a RF-modified 0.8㎛ CMOS process. For wide half-LO frequency of 490MHz to 872MHz, the input RF signal spectrum from 48MHz to 810MHz are up-converted into the IF of 932MHz. The linear range is assured to -1.4 dBm by simulations, which sufficiently exceeds the maximum input power of -28dBm. Also, the minimum input signal is maintained. On the other hand, the simulation and layout of the MODEM are performed in the SiGe process. Since it operates with a low voltage supply, the performance is varied with the involved power supply.
The Part Ⅱ of the thesis presents GAMMA correctors for HDTV camera applications, which provide various gamma correction methods and free controllable gamma value. In order to overcome disadvantages of the conventional gamma correction methods, the novel gamma correctors are proposed and their analysis in terms of the operating frequencies and transfer characteristics. These analysis results are compared with the conventional gamma correction methods and the figure-of-merit are obtained.
For the case of the presented quadrature gamma corrector, computer simulation with PSPICE and hardware experiments are performed to confirm the operation of the proposed gamma corrector. The supply voltages are set to +5.6V and -2.6V, respectively, and the reference voltage for pedestal control and clipping is chosen to be 2.8V. All devices are carefully selected in order to obtain a sufficient signal frequency at least up to 30MHz. It shows the variability of gamma value, from 1/2 to 1/3, which is obtained by simple electrical adjustment of multiplier gain with a potentiometer. It is proved that the proposed method simplifies the circuits significantly, which results in reduction both in power and in laborious time for tuning due to obviate redundant trimming.
On the other hand, for the current-mode gamma corrector, by computer simulations with PSPICE and the breadboard experiments using discrete devices, the operation of the proposed CM gamma corrector is confirmed. The supply voltages are set to ±2.5VDC, and the reference bias current is set to 1mA for useful high frequency operation. The input signal is of the calibration pulse format from 0 to 1Vmax with the gamma value varying from 1/2 to 1/3 by the adjustment of the weighting of the transimpedance amplifier. The experimental signals are formed with 0V pedestal level and maximum swing of 0.4V in order to fit the system specifications. The measured bandwidth of the circuit is approximately 40MHz, which is sufficient for HDTV video applications. It also shows max 1.3% output error in the temperature variations from -55℃ to +125℃. The power dissipation of the circuit is 125mW.
본 논문은 DTV시스템 응용을 위한 비선형 회로의 설계에 관하여 믹서(mixer)와 감마보정기(gamma corrector)를 설계한다. 본 논문의 제1단원은 수신기의 첫 단의 주파수 변환기(frequency-converter)로서 사용되고, 반 주파수의 LO를 사용하는 신구조의 이중 주파수 변환기 (double-upconverter)와 제2단의 믹서로서 사용할 수 있는 범용 모뎀 (MODEM)을 설계한다. 기존의 믹서 구조의 단점들을 극복하기 위해, 반 주파수를 사용하고, 저전력을 소모하고, 내부적인 이미지 제거기능을 갖춘 새로운 구조를 제안한다. 이런 장점들은 정량적, 정성적 해석을 통해 다른 구조와의 비교를 통한 최적 설계로 구현되었다.. 마지막으로 새로이 제안된 구조의 이중 주파수 변환기는 0.8um CMOS공정으로 구현되고, 모의 실험을 통해 위의 장점들을 확인했다. 반면 모뎀의 경우 저전압 동작에 맞도록 설계되어, SiGe BiCMOS 공정으로 구현하고 그 성능을 확인하였다.
이중 주파수 변환기는 RF-보정 CMOS공정으로 구현되고 모의 실험을 수행하였다. 490MHz에서 980MHz에 이르는 광대역의 LO주파수에 대해, 48MHz에서 810MHz에 이르는 광대역의 RF 입력 신호를 932MHz의 중간주파수 (IF)로 천이시킨다. 그 선형영역은 모의 실험을 통해 -1.4dBm으로 충분히 크다는 것을 알 수 있다. 또한 모뎀은 SiGe 공정으로 구현되어 저전압에서 동작이 가능하고 그 성능이 범용으로서 충분한 것을 알 수 있었다.
본 논문의 제 2단원은 HDTV카메라 등을 위한 감마보정기를 제안한다. 이 감마보정기는 다양한 방식의 감마 보정이 있고, 또한 자유롭게 감마보정값을 정할 수 있다. 기존의 감마 보정기들의 단점을 보완하기 위해, 새로운 방식의 감마 보정기의 구조들이 제시되고, 동작주파수와 전달특성 등이 분석된다. 이런 결과들을 가지고, 기존의 방식들과 비교하여 새로이 제시된 방식의 감마보정기의 장점을 알 수 있다.
제안된 이차함수 감마 보정기의 경우, PSPICE를 이용한 모의실험과 하드웨어 실험을 통해 그 동작이 확인되었다. 그 전원전압은 각각 +5.6V와 -2.6V를 사용하였고, 그 기준전압 제어를 위한 전압은 2.8V로 선택되었다. 모든 소자들은 고주파 동작을 위해 선택되었으며, 그 동작 주파수는 30MHz이상임을 알 수 있다. 감마보정은 단순히 가변저항을 사용하여 곱셈기의 이득을 조정하여 1/2에서 1/3 사이에서 결정할 수 있다. 또한 제안된 구조의 감마보정기는 전체 시스템을 단순화시키고 전력소모와 불필요한 보정을 줄일 수 있는 장점이 있다.
한편, 전류 모드 감마보정기의 경우, PSPICE를 이용한 모의실험과 하드웨어 실험을 통해 그 동작이 확인되었다. 전원 전압은 +/- 2.5V를 사용하였고, 기준 바이어스 전류는 고주파 동작에 맞도록 1mA로 설정되었다. 입력신호가 0V에서 최대 1V까지 변화할 때, 트랜스임피던스 증폭기 (transimpedance amplifier)의 이득을 조정함으로서 1/2에서 1/3에 이르는 감마값을 자유로이 정할 수 있다. 실험에서 신호는 0V의 기준전압을 가지고 최대 스윙 0.4V에 대하여 결정되었다. 측정된 최대 주파수 대역은 40MHz이고 -55℃에서 125℃의 온도변화에 대해 최대 1.3 %의 오차를 보인다. 전력소모는 125mW이다.
