In this thesis, a large dynamic range CMOS RF active tunable filter and baseband analog circuitry especially for the wideband UHF application, specifically for the ATSC terrestrial and cable digital TV standards are presented. In addition, the design methodology of the baseband analog (BBA) chain to maximize its spurious free dynamic range (SFDR) considering the filtering effect with respect to each standard and the design methodology of the BBA chain to minimize its current consumption considering the filtering effect and the required dynamic range of the given standard have been proposed.
To solve the harmonic-mixing problem inherently caused by the ultra-wideband characteristic of the ATSC terrestrial and cable digital TV standards, the direct-conversion architecture with an RF active tunable low-pass filter (ATLPF) and a simple harmonic-rejection mixer (HRM) is adopted because it has advantages of low cost and high integration without any external components among various tuner architectures. A CMOS RF ATLPF, which has to reject undesired channels at the frequencies of the LO odd harmonics to support insufficient harmonic-rejection of the HRM, is employed in the proposed tuner to achieve the required harmonic-rejection of 60dBc. The RF ATLPF should be low noisy and highly linear. For these, the 3rd-order Elliptic transconductor-C filter using transconductor linearization technique of multiple gated transistors (MGTR) is adopted and designed. Fabricated in a 0.18-um CMOS process, the proposed RF ATLPF exhibits a voltage gain of 0dB, an OIP3 of 16.9 dBm, an OIP2 of 32 dBm, and a NF of 14 dB while drawing an average current of 40mA from a power supply of 1.8 V with the total chip area of 0.9 mm2. The low-power RF ATLPF for the mobile terrestrial digital TV standards, where a 1st-order passive filter and a 2nd-order transconductor-C biquadratic filter using the MGTR linearization technique are combined to reduce its power consumption, is also designed and measured.
The performance of the BBA chain also has a large impact on the performance of the whole receiver since most of the channels come to the BBA chain almost without filtering and the nature of broadband channels limits an allowable gain of the RF-frond end. Therefore, it is crucial to optimize the SFDR of the BBA chain for the acceptable receiver performance at low power consumption. Therefore, to maximize the SFDR of the BBA chain for both standards, the design methodology is proposed with respect to the optimized allocation of the gain of each block depending on filtering effect for each standard. The design methodology to minimize current consumption of the BBA chain while maintaining its required SFDR and stability is also proposed. Fabricated in a 0.18-μm CMOS process, the BBA chain provides a minimum input referred noise density of 15.5 nV/root(Hz) with 62 dB gain and out-of-channel OIP3 of 33 dBm, while it drains an average current of 89 mA from 3.3 V with the total chip area of 1.2 mm2.
본 논문에서는 광대역 UHF에서의 높은 동적 영역을 가지는 CMOS RF 액티브 튜너블 필터와 기저대역 아날로그 회로의 설계를 다룬다. UHF대역을 사용하는 규격 중 광대역 특성에 의해서 구현하기 가장 난해하다고 생각되는 ATSC 지상파 및 케이블 디지털 TV 튜너에 초점을 맞추어 설계되었다. 광대역 특성에 의해 ATSC 지상파 및 케이블 튜너에서 가장 문제가 되는 국부 발진 신호의 고조파 혼합 문제를 해결하기 위해서 고조파 제거 혼합기와 액티브 튜너블 필터를 사용한 직접변환 수신기 구조가 선택되었다. 이 구조는 외부 구성요소를 사용하지 않음으로써 저가격과 고집적의 특성을 가진다. 또한 직접변환 수신기의 기저대역 SFDR을 최적화시키기 위해서 ATSC 지상파와 케이블 각각의 규격에 맞는 필터링 효과를 고려한 개별 블락의 최적 이득을 선택하여 줌으로써 SFDR를 최적화 시키는 기저대역 아날로그 회로 설계 방법론이 제시 되었다.
공정, 온도, 전압 변화에 따른 위상 및 이득의 불일치에 의해서 발생하는 고조파 제거 혼합기의 국부 발진 신호 고조파 제거 특성의 열화를 보완해 주기 위해 3차의 액티브 튜너블 저대역통과 필터가 설계되었다. 60dBc의 고조파 제거 특성을 얻기 위해서 액티브 튜너블 저대역통과 여파기가 국부 발진 신호의 3-5차, 7-9차 고조파 주파수에 있는 채널을 각각 25dB, 43dB이상을 제거 해주어야 한다. VHF/UHF와 같은 고주파 대역에서 좋은 성능을 가지는 Gm-C 필터 구조를 선택하였다. 또한 액티브 튜너블 저대역통과 필터가 수신기의 SNR에 영향을 주는 것을 최소화하기 위해서 저 잡음지수 및 고선형성 특성을 얻어야 한다. 고선형성을 얻기 위해서 트랜스컨덕터를 MGTR방법을 사용하여 선형화시켜 주었다. 또한 모바일용 디지털 TV 튜너를 위한 저 전력 CMOS RF 튜너블 필터가 설계되었다. 이 필터는 1차 패시브 필터와 MGTR에 의해 선형화된 2차의 Gm-C필터의 혼합으로 구성이 되었다. 0.18-??m CMOS 공정을 사용하여 고정용과 모바일용 디지털 TV 튜너 규격을 위한 액티브 튜너블 필터가 제작되었고 고조파 제거 혼합기와 함께 국부 발진 신호의 홀수 고조파에 대해서 디지털 TV 튜너의 목표 규격인 60dBc이상의 국부 발신 신호 홀수 고조파 제거가 가능함을 확인하였다.
디지털 TV 튜너는 수신하기 원하는 채널뿐만 아니라 강한 인접 채널도 함께 수신되어지기 때문에 기저대역에서의 SFDR이 디지털 TV 튜너의 전체 SNR에 큰 영향을 미친다. 따라서 기저대역 아날로그 회로의 SFDR를 최적화시키는 것이 중요하다. 본 논문에서는 ATSC 지상파와 케이블에서의 채널 분포 특성에 따라 기저대역 아날로그 필터의 필터링 효과를 고려함으로써 각각의 규격에 맞게 기저대역 아날로그 회로의 이득을 최적으로 분포하여 줌으로써 최적의 SFDR을 얻을 수 있는 기저대역 아날로그 회로의 설계 방법론을 제안하였다. 기저대역 아날로그 회로의 전체 이득에 따른 개별 블락의 이득 조건을 look-up 표에 저장해 줌으로써 각각의 전체 이득에 대해서 최적의 SFDR을 얻을 수 있었다. 또한 최소의 전력소모를 위한 기저대역 아날로그 회로의 설계 방법론이 소개되었다. 제안된 설계 방법론을 이용하여 0.18-??m CMOS 공정으로 디지털 TV 튜너를 위한 기저대역 아날로그 회로가 제작 및 검증되었다.
