This thesis describes a design of CMOS complex filter for low-IF receiver, providing solution of DC-offset problem. Proposed novel DC-offset cancellation circuit, called complex DC-offset cancellation circuit, allows that complex filter can get high gain.
In the thesis, the fundamentals of the design of CMOS complex filter are introduced, and design techniques of finding optimum components' value.
Recently low-IF architecture has become a good choice compare to direct conversion architecture, as high performance A/D converter is introduced and digital domain processing techniques are improved. However, complex filter which is used to reject image can not get high gain because of DC-offset problem. This thesis introduces optimized and simple technique to cancel DC-offset with mathematic analysis. As a result, complex filter can get high gain by cancelling DC-offset not only symmetrically but effectively. This can be the model for future design of complex filter hopefully.
The filter is implemented by TSMC 0.18 um foundry. The simulation, which is Postlayout in the corner condition, shows 10~73dB linear gain with 1dB step, 2MHz bandwidth at 2MHz center frequency, 7.6dBm of P1dB at minimum gain with 2.4mA current consumption. In addition, it shows 15.4dB NF (@1k ohm source), -4.6dBm outband IIP3, -37dBm in-band IIP3 at maximum gain. This filter can overcome DC-offset until $\plusmn$160mV when single offset or $\plusmn$100mV when both offset and tune frequency automatically although passive components' value vary $\plusmn$40%.
ZigBee 시스템은 여러 개의 채널을 가지고 있기 때문에 관심 채널 외의 채널은 rejection 이 필요하다. 뿐만 아니라, 본 시스템에서 low-IF architecture 를 사용하기 때문에 image-rejection 역할도 필수적이다. 또한, 각 필터 단에 가능한 한 많은 gain 을 분산시켜 부담 함으로써 noise figure (NF)특성을 좋게 가져 갈 수 있다. 위의 기능을 조절 가능한 이득을 가진 콤플렉스 필터를 사용 함으로써 한번에 가져 갈 수 있다. 하지만 일반적으로 콤플렉스 필터는 높은 이득을 가지기 힘든데, 그 이유는 DC-오프셋이 생길 때 일반적인 루프로는 제거하기 어렵기 때문이다. 이에 본 연구에서 콤플렉스 DC 오프셋 루프를 제안 함으로써 높은 이득의 콤플렉스 필터를 안정되게 동작 시킬 수 있게 되었다.
필터 내부에 콤플렉스 DC 오프셋 제거회로를 추가 함으로써 높은 이득에서도 안정된 동작을 가능하게 하였으며, 추가적인 DC 오프셋에 대한 영향은 PGA 단에 일반적인 auto-zeroing DC 오프셋 제거 회로로 없애도록 하였다. 그리고 안정적인 주파수 특성을 얻기 위해서 3.1.5 에서 설명 할 자동 주파수 동조 회로(AFT)가 추가되었다.
본 연구의 성과로 차후 설계될 콤플렉스 필터들도 높은 이득을 가질 수 있게 되었으며, 이는 콤플렉스 필터 설계의 모범이 될 만한 일이라 자부한다. 아직 부족한 부분의 보충과 $G_{m}$-C 필터 등에 확장하여 보다 일반적으로 광범위한 정리가 추가되기를 희망한다.