As the global TV tuner standards are emerged into a multi-standard single chip silicon tuner, several challenging issues appear in the RF front-end design. Since the spectrum of the terrestrial and cable TV ranges from 48MHz to 870MHz with simultaneous presence of high power channels, high linearity and harmonic rejection performances are required in RF front-end as well as low noise and wideband performance. In addition, in case of ATSC standard (A/74), the tuner front-end must endure up to 57dB larger taboo channel power than the de-sired. Although, in the past, the external high-Q passive filter in the so-called ‘Can’ tuner cuts out all high-power interferers and thus resolving harmonic mixing and linearity issues at the same time, the implementation of such high-Q and highly-linear filters has been unrealizable in the integrated silicon tuners. Thus, in many of recent researches, the TV tuners were inte-grated at cost of some performance degradation or by using external components for high-Q filter implementation.
To implement a high-Q and highly linear filter in a silicon die, we present a source-follower-based active-RC filter which resolves the stopband limitation problem of the Sallen-Key topology and shows better noise and linearity performance in architecture aspect. In spite of the bandwidth limitation of the typical active-RC filters, the proposed filter topology achieves 48MHz-to-500MHz tuning range in measurement by adopting the proposed sub-1-ohm source follower. The sub-1-ohm source follower allows the filter Q to sustain high enough up to around 1GHz while its linearity keeps higher than the conventional source fol-lowers thus further boosting the filter linearity. The measurement of the $4^{th}$ -order Butterworth filter shows 14dB and +30dBm in its noise figure and IIP3 respectively. By adopting the pro-posed filter the RF filter in the tuner front-end becomes no longer a bottleneck of the front-end linearity performance.
Additionally, an even-order harmonic cancellation technique is proposed in a low noise amplifier (LNA) in order to further improve the front-end linearity. While the LNA is configured in 2-stage shunt feedback topology and each gain cells are based on the differen-tial hybrid voltage follower (DHVF), the proposed technique reduces $3^{rd}$ -order intermodula-tion components of the $2^{nd}$ -order interaction in feedback loops by suppressing the even-order harmonic distortions. In addition, the proposed technique helps to increase the gain of the first stage of the LNA and thus the total loop gain, which again improves LNA linearity with low noise figure. The proposed LNA is designed in 1.4dB NF and >+28dBm OIP3 over 48 to 870MHz bandwidth.
Aside from the linearity specifications, the proposed front-end adopts a robust har-monic rejection technique in a current-mode passive mixer. Contrary to the previous RF gain-weighting method, two-stage baseband gain-weighting is applied to the mixer leading to more robust harmonic rejections. The proposed harmonic rejection mixer obtains more than 60dB rejection ratio for $3^{rd}$ - and $5^{th}$ -order harmonics. Besides, at the end of this thesis, a common-centroid latch layout is introduced for accurate LO phase for more robust harmonic rejections.
Finally, this thesis presents a fully integrated state-of-the-art performance TV tuner front-end which shows 3.1dB NF, >+31dBm OIP3, >83dB HRR3, >89dB HRR5, and >68dB for HRR7 and higher. In addition, a symmetric latch layout technique is introduced for more robust harmonic rejections
본 논문은 다표준 아날로그 디지털 TV 튜너 IC의 RF front-end의 선형성과 하모닉 성분 제거율을 안정적으로 개선하는 기술을 다룬다. 국가별 지상파 및 케이블 방송 표준을 만족 시키는 TV 튜너의 설계는 48MHz ~ 870MHz에 달하는 광대역 특성, 130여개의 다중 채널 그리고 큰 입력 신호 크기로부터 저잡음, 고선형성 뿐 만 아니라 하모닉 성분 및 이미지 성분 제거까지 동시에 이루어져야 하는 기술적 어려움이 있다. 과거에는 Can 튜너라 불리는 외장 소자로 구성된 TV 튜너를 사용해서 높은 Q-factor의 필터로 원하는 채널을 pre-selection 함으로써 기술적 난제를 해결하였으나, TV 패널 및 기타 방송 기술의 발전과 더불어 집적화된 튜너 칩의 필요성이 대두되었고, Can 튜너 성능에 근접하는 실리콘 튜너 개발을 위한 다양한 연구들이 진행되어 왔다. 실리콘 TV 튜너 설계의 기술적 난제 중 대부분은 RF front-end에 집중 되어 있는데, 저잡음, 고선형성 및 하모닉 성분 제거가 이에 해당한다. 하모닉 제거는 초기의 실리콘 튜너에서 외장형 필터와 하모닉 제거 믹서를 통해 이루어졌는데, 현재 추세는 외장형 필터를 내부로 집적화하려는 것이 기술적 추세이다. 외장형 필터의 집적화에 가장 큰 걸림돌은 필터의 선형성과 잡음 그리고 VHF 대역에서의 높은 Q-factor 유지하는 것이다. 종래의 기술들은 주로 광대역 설계에 적합한 gm-C type의 필터에 선형성 개선 기술들을 적용하여 집적화를 시도하였으나, 구조적으로 충분한 선형성을 확보하지 못하고, 선형성 개선 기술 또한 process variation에 민감하여 대량 생산 튜너 칩에 적용되는데 적합하지 못한 양상을 보인다.
본 논문에서는 gm-C 필터 대신 상대적으로 고선형성 특성을 갖는 active-RC 필터 중 Sallen-Key 필터의 저지대역 특성을 개선하고, 대역폭을 개선함과 동시에 높은 Q-factor를 갖는 새로운 필터 구조를 제안하였다. 필터의 저지대역 특성 개선을 위해 단일 이득 버퍼의 위치를 feed-through path에서 feed-back loop로 이동하고, 기존 opamp에 기반한 단일 이득 버퍼의 대역폭을 새로이 제안된 source-follower 구조에 기반한 것으로 바꾸면서 시뮬레이션으로는 1GHz 측정결과로는 500MHz에 이르는 범위까지 높은 Q값으로 가파른 roll-off 특성을 지닌 필터의 구현을 가능하게 했다. 제안된 필터는 비선형성의 주된 원인이 되는 active device (단일 이득 버퍼)의 위치를 feedback loop로 이동 시키면서 in-band 대역에서는 버퍼의 잡음과 하모닉 왜곡 성분이 출력으로 나오는 것을 억제시키는 효과를 가져다 준다. 이는 Sallen-Key 필터의 기본적으로 높은 선형성을 구조적 측면에서 추가적으로 개선할 뿐 만 아니라 버퍼의 잡음과 DC offset을 동시에 차단하여 필터의 성능을 극대화 한다. 제안된 필터를 4차 butterworth 필터의 형태로 구현 및 시뮬레이션한 결과 NF, OIP3는 각각 15dB, +30dBm의 state-of-the-art 성능을 보여 더 이상 실리콘 TV 튜너의 front-end 선형성의 병목지점이 RF 필터가 아닐 만큼의 수준에 도달했음을 확인 할 수 있었다.
추가적으로, LNA 선형성 개선을 위해 본 논문에서는 even-order 하모닉 제거 회로를 제안하였다. 이 구조는 종래의 differential hybrid voltage follower (DHVF)의 단점인 낮은 이득을 current bleeding방식을 통해 개선함과 동시에 LNA의 입력 트랜지스터와 current bleeding 트랜지스터의 조합으로 inverter 형태의 증폭단을 만들어 even-order 하모닉을 억제하는 효과를 가져온다. 결과적으로 증폭된 이득은 설계된 2-stage shunt feedback LNA의 loop 이득을 증가 시킴으로써 LNA 전체의 선형성을 개선할 뿐 아니라 even-order 하모닉 왜곡성분의 억제는 $2^{nd}$ -order interac-tion에 의한 IM3 성분을 줄여 재차 선형성을 개선하는 효과로 이어진다. 이로부터 LNA의 OIP3는 +28dBm이상의 state-of-the-art 수준을 이루어 냈고 NF는 1.4dB에 불과하게 설계되었다.
믹서는 전류 모드 passive 믹서로, +33dBm 이상의 선형성을 얻을 수 있어서 제안된 RF front-end의 OIP3는 +31dBm 이상의 세계 최고 수준의 성능을 확보하였다. 또한, 종래의 RF 이득 비율 조절로 인한 하모닉 제거 기술을 baseband에서의 저항 비율에 의한 이득 비율 조절로 대체하고 이를 cascade구조로 엮어 냄으로써 하모닉 제거 믹서의 3차 5차 제거율을 보다 안정적으로 60dB이상 확보할 수 있도록 했다. 이로부터 제안된 RF front-end의 하모닉 제거율을 3차, 5차, 7차 성분에 대해 각각 83dB, 89dB, 68dB이상으로 얻을 수 있도록 하였다. 또한, 8 phase LO 생성부인 di-vider-by-4 회로의 latch 레이아웃을 종래와 다른 common-centroid 구조로 제안함으로써 LO 생성과정에서 발생할 수 있는 위상 오차를 최소화 할 수 있는 방법도 함께 제안 하였다.
결론적으로, 본 논문에서 제안된 다표준 TV 튜너 RF front-end는 종래의 front-end 설계에서 가장 큰 어려움으로 알려진 RF filter의 선형성 문제를 혁신적으로 개선함과 동시에 LNA의 선형성과 하모닉 제거 믹서의 하모닉 제거율까지 개선하면서 NF, OIP3, HRR3/5/7에서 각각 3.1dB, +31dBm, 83/89/68dB에 이르는 세계최고 수준의 성능을 만족한다. 또한 추가적인 하모닉 제거율 개선을 위한 방법으로 common-centroid latch layout 구조도 제안을 하여 보다 완성도 높은 TV tuner front-end의 설계에 대한 방향을 제시하였다.
