This thesis describes a design of CMOS RF front-end receiver for the MB-OFDM UWB receiver, which can provide up 480 Mbps data-rate in short range.
In the thesis, the fundamentals of the design of RF circuits are introduced, and design techniques of wideband amplifier are intensively presented. Also, we will introduce the mixer design based on conventional design technique.
First, wide simultaneous noise and input matching technique is introduced. With 3~5 GHz wide band noise matching can lead to improve the noise performance compare to previous arts. The noise figure of proposed 3~5 GHz SNIM LNA shows sufficient input matching, enough gain and constant low noise performance. Decreased noise performance, due to the low quality factor of on-chip inductor, can be solved by recent technology including thick top metal on-chip inductor. Proposed SNIM LNA is implemented by TSMC 0.18$\mum$ and IBM 0.13$\mum$ foundry for comparing on-chip inductor effect. In 0.18$\mum$ case, the measurement NF, 3.5~4.5dB, is similar with simulation result. In 0.13$\mum$ case, simulation result with on-chip inductor shows 1.5~2.2dB noise performance which is strongly low enough. The power consumption is 4.5mA and 4mA from 1.8V and 1.5V supply, respectively.
Second, an ultra-wide band low noise amplifier that adopts a common-gate topology as a first stage is presented. The common-gate/cascode two-stage amplifier is optimized for 3 to 10GHz full band UWB application. The design based on 0.18 $\mum$ CMOS technology shows 1 ~ 11 GHz input matching, 3 ~ 11.5GHz gain bandwidth with maximum gain of 14dB, and the noise figure of 3.7~ 2.7 dB over the frequency band of 3 ~ 11 GHz while dissipating 4.4mA from 1.8V supply.
Third, direct conversion mixer for UWB receiver is introduced with simulation result only. This mixer is focused on the linearity improvement which is generated from device mismatch and then it is measured as an integration block with SNIM LNA. The conversion gain is 12~13 dB in each whole band and flatness in each band is around 0.7dB. The NF is 11.7 ~ 12.6 dB and IIP3 is -2.6 ~ -4.5 dBm while IQ mixer power consumption is only 10.5mA from 1.5V supply.
Finally, a proposed RF front-end UWB receiver, which consists of a low noise amplifier and quadratrue down-conversion mixer, is implemented using 0.13 $\mum$ CMOS technology. The proposed RF front-end receiver supports three bands (3432, 3960, and 4488 MHz) as mandatory mode in the UWB radio. The low noise amplifier, in the RF front-end receiver, provides not only high gain and 50 ohm wideband input matching but also low noise figure over 3 ~ 5 GHz frequency range. To achieve wide low noise figure, two on-chip inductors are needed in front of the amplification stage. However, those inductors do not lead to decrease the noise figure because of high quality factor value provided by 0.13 $\mum$ process. The quadratrue double balance mixer, which is the major block of nonlinearity contribution in the receiver, is focused on reducing process variation that can lead even-order distortion. Inter-stage capacitance, which is inserted between the drive stages and switching stage, can remove the low frequency $2^{nd}$ order component generated by mismatch of the drive stage. Because supply voltage is not high, to increase the output swing range switching stage consists of pmos transistor. Also, pmos transistor helps to reduce flicker noise contribution.
For measurements, three-stage poly-phase filter is also implemented to achieve more accurate quadrature LO signals. The RF front-end shows measured power gain of 23 dB and flatness of less than 3 dB for all three bands. Simulated noise figure at 3 MHz (highest value in three bands) is 5.8 dB, and IIP3 is -18.5 dBm for input two-tones with 50 MHz offset. The LNA and quadrature I/Q down-conversion mixer consume 4.8 mA and 11 mA from a 1.5V supply, respectively.
본 학위 논문에서는UWB 통신을 위한 RF front-end receiver구조의 구성 블록인 저잡음 증폭기와 하향 주파수 변환기 설계 내용을 소개한다. 저잡음 증폭기의 경우 해결되지 않은 광대역에 걸친 저 잡음 특성을 구현하기 위하여 광대역에서의 잡음과 정합을 동시에 얻을 수 있는 방법이 소개되었으며, UWB통신에 적합한 또 다른 대안인 공통 게이트 토폴로지를 입력 첫 번째 단으로 이용하는 저잡음 증폭기에 대해 소개하였다. RF front-end 구현을 위하여 직접 변환 방식에 적합한 광대역 하향 주파수 변환기의 설계 기술 및 공정에서 주어지는 불가피한 부정합등으로 인한 신호의 왜곡을 최소화 시키기 위한 방법을 소개 하였다. 마지막으로 앞서 설명했던 광대역SNIM 저잡음 증폭기와 직접 변환 하향 주파수 변환기를 집적하여 설계한 RF front-end receiver는 UWB통신의 mandatory mode인 3~5 GHz대역의 세 개의 sub-band (중심주파수는 각각 3432, 3960, and 4488 MHz)에 맞게 설계 되었다. 광대역 RF 신호는 수신기의 전체 잡음 특성을 낮출 수 있을 만큼의 높은 이득과 광대역에 걸친 50$\Omega$ 입력 정합을 만족하면서 잡음 특성을 광대역에 걸쳐 최소한으로 설계한 저잡음 증폭기를 통해 전체 수신단의 잡음 특성을 향상 시켰다. 광대역에 걸친 잡음 특성을 낮고 일정하게 유지하기 위해 저잡음 증폭기 입력 단에 직렬 on-chip inductor가 삽입 되었는데, 이로 인한 잡음 특성의 저하는 IBM 0.13$\mum$공정에서 제공되는 high Q on-chip inductor를 통해 무리 없이 설계 가능하다. 저잡음 증폭기의 출력 신호는 별도의 single to differential회로 없이 quadratrue 하향 주파수 변환기의 입력으로 인가된다. 하향 주파수 변환기의 구동 단에서 차동 신호를 만들어 줌으로써 추가적인 전력 소모 없이 손쉽게 RF front-end를 구현 할 수 있다. 하향 주파수 변환기는 quadratrue double balance 토폴로지로 설계되었다. 하향 주파수 변환기를 구성하는 여러 소자들의 부정합으로 인해 double balance 하향 주파수 변환기의 경우에도 even order distortion에 큰 영향을 받을 수 있다. 이런 불가피한 공정상의 문제를 최소화 하고자 제안하는 mixer는 구동단과 스의치단 사이에 저주파 even order 성분을 차단 할 수 있는 inter stage capacitance를 삽입하여 선형성을 향상 시켰다. quadratrue double balance 하향 주파수 변환기를 구성하기 위해 필요한 I/Q LO신호는 같은 chip에 집적화된 poly-phase filter를 통해 공급된다. Poly-phase filter는 3~5 GHz MB-OFDM UWB 통신방식에서 제공하는 3개의 sub-band 에 맞게 설계 되었다. 하향 주파수 변환기를 통해서 변환된 차동baseband신호는 간단한 differential to single회로를 통해 합쳐지고, 측정을 위한 광대역 output matching도 쉽게 얻을 수 있다. 설계된 저잡음 증폭기와 RF front-end 수신기는 설명한 이론대로 동작하는 것을 확인 할 수 있다.
