Digital TV (DTV) is developed rapidly nowadays since it enables broadcasters to offer television with better picture and sound quality. It can also offer multiple programming choices. The tuner, as a key element of DTV, converts received RF signals into digital signals, which can be further processed for the sound and picture. Various existing digital TV standards, such as advanced TV systems committee-terrestrial (ATSC-T), Open Ca-ble, digital video broadcasting terrestrial (DVB-T), and DVB-C cover a wide range of operating frequencies, from 48 to 860MHz. This broadband character presents many technical challenges in the design of DTV tuners, including harmonic mixing, image rejection, dynamic range, and linearity. The bottlenecks in selectivity and linearity performances of DTV tuners arise mainly from TV broadcasting environments with wide range signal strength. Therefore, the rejection of unwanted channel signals and harmonics is the main design concern of tun-ers. This problem has been resolved by the adoption of an RF tracking filter. In typical silicon tuner architecture, the tracking filter is located between the LNA and a mixer.
In this dissertation, several design techniques for high performance on-chip RF tracking filter are proposed. Firstly, two version low band RF tracking filters which work in the frequency range from 48 to 300 MHz are introduced. For first version, a highly linear tunable G??m-C type active harmonic rejection filter (HRF) design is presented. The proposed HRF architecture can provide gain, center frequency, and quality factor tuning. Moreo-ver, by simultaneously changing the transistor sizes and bias currents of the unit Gm-cell, good linearity over the whole frequency range can be achieved. For second version, a low power and highly linear CMOS active track-ing band-pass filter is presented. In this design, a transconductor linearization technique based on a method of dynamic source degenerated differential pair is adopted to improve the linearity performance. The newly low power high quality factor (Q) biquad and the linearized transconductor with negative resistance load (NRL) is proposed to enable the low power and high Q RF tracking filter design. Compared with conventiona biquad ar-chitecture, the proposed biquad can reduce 25% power consumption, 25% chip area, while provide 3 times Q factor improvement. Secondly, three version full band RF tracking filters which work in the frequency range from 48 to 860 MHz are introduced. For first version, a full frequency band active RF tracking filter design is implemented for the first time. By combined control of the Gm and C values in the biquad of the Gm-C filter, the proposed tracking band-pass filter satisfies full frequency band tuning while maintaining narrow bandwidth. For second version, the proposed RF tracking filter can overcome local oscillator harmonic mixing problem and re-ject unwanted interferer signals which helps to achieve good system performance. All previous designs has common disadvantage of poor noise performance. For the third version, the low noise CMOS active RF tracking filter for a digital TV tuner is presented. The proposed RF tracking filter architecture includes two complemen-tary parallel paths, which provide harmonic rejection in the low band and unwanted signal rejection in the high band. In summary, the proposed CMOS active RF tracking filter provide high linearity, low noise, high Q factor, wide frequency range, low power performance, which can be used in low power, integrated silicon tuner for digital TV.
디지털 TV (DTV)는 방송사가 더 나은 그림과 사운드 품질을 TV로 제공할 수 있게 된 이래로 최근에 빠르게 발달하고 있다. 그것은 또한 다중 프로그래밍 선택권을 제공할 수 있다. DTV의 핵심 요소로 튜너는, 수신된 RF 신호들을 디지털 신호들로 변환하고 이 신호들은 소리와 사진으로 처리된다. 지상파 ATSC (ATSC-T), 오픈 케이블, 지상파 디지털 비디오 방송 (DVB-T), 케이블 디지털 비디오 방송 (DVB-C)과 같은 다양한 현존하는 DTV 표준들은 48~860MHz까지의 넓은 동작 주파수들을 포함시킨다. 이 광대역 특성은 하모닉 믹싱, 이미지 제거, 다이나믹 범위, 선형성 등과 같은 DTV 튜너들의 설계에서 많은 기술적 과제를 가지고 있다. 또, DTV 튜너들의 선택성과 선형성의 특성에서의 병목 현상은 광범위한 신호 강도를 갖는 TV 방송 환경들에서 주로 발생한다. 따라서, 원치 않는 채널 신호들과 고조파들의 제거는 튜너의 주요한 설계 관심사이다. 이 문제는 RF 트래킹 필터의 채택에 의해 해결 되었다. 전형적인 실리콘 튜너 구조에서 트래킹 필터는 저잡음 증폭기 (LNA)와 믹서 사이에 위치하고 있다.
이 박사학위 논문에서는 온 침 RF 트래킹 필터의 좋은 성능을 위한 여러 가지 설계 기법들이 제안되었다. 첫째로, 48~300MHz까지의 주파수 범위를 갖는 두 버전의 낮은 밴드의 RF 트래킹 필터가 소개되었다. 첫 번째 버전으로, 높은 선형성의 조정 가능한 Gm-C 타입의 능동 고조파 제거 필터 (HRF) 설계가 소개되었다. 제안된 HRF구조는 이득, 중심 주파수, 그리고 품질 계수 (Q)를 조정할 수 있다. 게다가, 단위 Gm 셀의 트랜지스터 크기들과 바이어스 전류들을 동시 변화시켜서, 전체 주파수 범위에서 좋은 선형성을 얻을 수 있다. 두 번째 버전으로, 저 전력, 높은 선형성의 CMOS 능동 트래킹 대역통과 필터가 소개되었다. 이 설계에서 선형성 성능을 향상시키기 위해, 동적 소스 퇴화 차동 페어 방법을 바탕으로 한 트랜스컨덕터의 선형화 기술이 채택되었다. 저 전력과 높은 Q의 RF 트래킹 필터 설계가 가능하게 하기 위해, 새로운 저 전력 높은 Q의 biquad와 음의 저항 부하 (NRL)을 갖는 선형화된 트랜스 컨덕터가 제안 되었다. 제안된 biquad는 기존의 biquad와 비교해서, 세배의 Q 계수 향상을 제공하면서 25%의 전력소비와 25%의 칩 면적을 줄일 수 있다. 두 번째로, 48~860MHz까지의 주파수 범위를 갖는 세 버전의 전체 밴드 RF 트래킹 필터들이 소개되었다. 첫 번째 버전으로, 전체 주파수 밴드 능동 RF 트래킹 필터 설계가 최초로 구현되었다. 제안된 트래킹 대역 통과 필터는 Gm-C 필터의 biquad의 Gm과 C 값들의 조정을 결합해서, 좁은 대역폭을 유지하면서 전체 주파수 밴드 조정을 만족시켰다. 두 번째 버전으로, 좋은 시스템 성능을 달성하는데 도움을 주는, 로컬 발진기의 고조파 믹싱 문제와 원하지 않는 간섭 신호들의 제거를 극복한 RF 트래킹 필터가 제안되었다. 이전의 모든 설계들은 노이즈 성능이 나쁜 공통의 단점이 있다. 그래서, 세 번째 버전으로, DTV 튜너용 저 잡음 CMOS 능동 RF 트래킹 필터가 소개되었다. 제안하는 RF 트래킹 필터 구조는, 낮은 밴드에서 고조파를 제거하고 높은 밴드에서 원하지 않는 신호를 제거하는, 두 개의 보완하는 평행 경로들을 포함하고 있다. 요약하면, 제안된 능동 RF 트래킹 필터는, 저전력, 통합 실리콘 DTV 튜너에 사용할 수 있는, 높은 선형성, 저 잡음, 높은 Q 계수, 넓은 주파수 범위, 저 전력 성능을 제공한다.
