Современную приемопередающую аппаратуру L-, S-, C-диапазонов строят с применением квадратурной обработки сигналов, реализуемой на основе интегральных схем формирователей квадратурных сигналов (ФКС). В работе представлен обзор типов, методов расчета и характеристик интегральных ФКС, широко применяемых при построении сложнофункциональных блоков приемопередающих устройств. Показана возможность улучшения характеристик ФКС, разработанных на основе недорогой SiGe БиКМОП технологии. Представлены результаты разработки и моделирования характеристик принципиальных схем, топологий формирователей квадратурных сигналов на основе LC-, RC-цепей, триггеров диапазона 1–4 ГГц.

УДК 621.3.049.774.3
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.488.497

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под редакцией д.т.н., профессора Мальцева П.П.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #9/2018
Филиппов Иван Федорович, Поморев Андрей Сергеевич, Харитонов Семен Алексеевич, Дученко Николай Владимирович, Ветров Игорь Леонидович, Вертегел Валерий Викторович, Гимпилевич Юрий Борисович
Разработка и исследование SiGe интегральных формирователей квадратурных сигналов L- и S-диапазонов
Просмотры: 3330
Современную приемопередающую аппаратуру L-, S-, C-диапазонов строят с применением квадратурной обработки сигналов, реализуемой на основе интегральных схем формирователей квадратурных сигналов (ФКС). В работе представлен обзор типов, методов расчета и характеристик интегральных ФКС, широко применяемых при построении сложнофункциональных блоков приемопередающих устройств. Показана возможность улучшения характеристик ФКС, разработанных на основе недорогой SiGe БиКМОП технологии. Представлены результаты разработки и моделирования характеристик принципиальных схем, топологий формирователей квадратурных сигналов на основе LC-, RC-цепей, триггеров диапазона 1–4 ГГц.

УДК 621.3.049.774.3
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.488.497
ВВЕДЕНИЕ
Рынок беспроводной связи демонстрирует значительные темпы роста за последние десятилетия. Сохраняется тенденция к уменьшению размеров и стоимости используемого для беспроводной связи оборудования. Современную приемопередающую аппаратуру L-, S-, C-диапазонов строят с применением квадратурной модуляции, реализуемой на основе интегральных формирователей квадратурных сигналов [1–3].
Функциональный блок формирователя квадратурных сигналов оказывает значительное влияние на характеристики приемопередатчиков. Точность формирования квадратурных сигналов непосредственно связана с величиной коэффициента подавления зеркального канала (Image Rejection Ratio, IRR). Этот параметр, в свою очередь, определяет чувствительность приемника. Недостаточное подавление зеркального канала вызывает ухудшение модуля вектора ошибки (Error Vector Magnitude, EVM) в приемнике. Это, в свою очередь, приводит к повышению частоты появления ошибочных битов (Bit Error Rate, BER). Немаловажной является задача обеспечения стабильной работы интегральных ФКС в широком диапазоне рабочих частот при сохранении относительной простоты схемотехнических решений, малой площади кристалла.

Традиционно выделяют четыре типа формирователей квадратурных сигналов: RC-CR цепи, RC-полифазные фильтры (ПФФ), RLC-квадратурные фильтры (Quadrature All-pass Filter, QAF) и делители удвоенной частоты гетеродина на основе триггеров. ПФФ строятся на основе каскадирования цепей RC-CR. Однако методы их разработки для кремниевых и кремний-германиевых технологических процессов существенно отличаются. Это позволяет выделить ПФФ в отдельное направление при выборе структуры ФКС. В работе приведены результаты обзора типов, методов расчета и характеристик интегральных ФКС, широко применяемых при построении приемопередающих устройств. Целью настоящей работы является разработка интегральных ФКС диапазона 1–4 ГГц в рамках 180 нм SiGe БиКМОП технологического процесса. Дана оценка возможности применения разработанных ФКС при построении МИС квадратурных модуляторов и демодуляторов L-, S-, C-диапазонов частот.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ RC-ПОЛИФАЗНЫЕ ФИЛЬТРЫ
Для разделения фазы сигнала на квадратурные компоненты во многих приложениях (IQ-модуляторы и демодуляторы, генераторы IQ-сигналов, системы подавления зеркального канала, контроль поляризации и др.) применяют интегральные полифазные фильтры [4–6].
Основой ПФФ является RC-CR цепь (рис. 1). Порядок ПФФ определяется числом включенных последовательно звеньев RC-CR.
Схемотехнически RC-CR звено является комбинацией фильтров нижних и верхних частот. Недостатком RC-CR ФКС является узкая полоса рабочих частот.
Подробный обзор типов, методов расчета и характеристик пассивных полифазных фильтров приведен в источниках [7, 8]. Авторами проводится анализ влияния технологического разброса и паразитных параметров элементов на характеристики ПФФ.
Интегральные ФКС обладают рядом достоинств, таких как относительная простота реализации, малая площадь топологии, сравнительно высокая устойчивость характеристик к технологическому разбросу. Однако ПФФ характеризуются большими вносимыми потерями (около 3 дБ на секцию). Для компенсации этих потерь требуется использовать буферные усилители. Более того, термический шум резисторов в звеньях ПФФ оказывает негативное влияние на коэффициент шума (Кш) приемного тракта. Выбор сопротивления резисторов первого звена в соответствии с выходным сопротивлением предыдущего каскада, а сопротивления резисторов последнего звена, близкие к 50 Ом, позволят сохранить приемлемое значение Кш [9].
Пассивный полифазный расщепитель фазы может быть подключен к источнику сигнала двумя способами, которые условно назовем способ «А» и способ «Б». Каждый из них обладает своими достоинствами. Подключение полифазного расщепителя способом «А», показанное на рис. 2а, позволяет добиться низкого значения фазовой ошибки на частотах «полюсов» ωn = 1/RnCn. Подключение полифазного расщепителя способом «Б», показанное на рис. 2б, соответственно, позволяет добиться минимальной амплитудной ошибки.
В работе [10] показано, что для получения подавления зеркального канала порядка 40 дБ в полосе 1,8 — 6 ГГц необходимо минимум 4 звена полифазного фильтра. Пассивные полифазные фильтры высоких порядков вносят большое ослабление.
Существенно меньшим ослаблением сигнала характеризуются активные полифазные фильтры [11–14]. Однако с повышением коэффициента передачи резко снижается стабильность в связи с использованием усилителей. Частотные характеристики активных полифазных фильтров также ограничены введенными в схему усилительными каскадами.
В отдельную категорию можно отнести полифазные фильтры с перестраиваемой рабочей полосой, которые иногда называют активными, хотя они не обеспечивают усиление сигнала. Перестройка полосы осуществляется двумя способами:
• применением транзисторов в качестве управляемых резисторов;
• применением варикапов в качестве управляемых конденсаторов.
В табл. 1 приведены параметры ПФФ, представленных в периодических изданиях и сборниках материалов международных конференций.
Обзор источников [7–13] позволяет выделить ряд особенностей методики проектирования пассивных ПФФ:
• предпочтительнее выбор подключения ПФФ к источнику сигнала способом «А». Коррекцию возникающей амплитудной ошибки предлагается осуществлять усилителями-ограничителями (УО);
• предпочтительным является разделение «полюсов» многозвенных ПФФ;
• оптимальное расстояние между полюсами определяется относительной полосой рабочих частот;
• предпочтительным является соблюдение равенства емкостей в секция ПФФ;
• величина сопротивления резисторов вычисляется исходя из сопротивлений источника сигнала и нагрузки ФКС и должна расти от каскада к каскаду;
• необходимое и достаточное число секций ПФФ определяется требуемой величиной IRR и разбросом технологических параметров элементов ФКС;
• при необходимости увеличить величину подавления зеркального канала корректировку фазовой ошибки ФКС возможно производить дополнительным управляемым фазо¬вращателем.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ RLC-КВАДРАТУРНЫЕ ФИЛЬТРЫ
В интегральном исполнении, особенно для малосигнальных приложений, находят применение квадратурные фильтры на основе RLC-цепочек [15, 16]. Принципиальная схема RLC-фильтра приведена на рис. 3.
Проектирование квадратурных RLC-фильтров обладает рядом особенностей:
• добротность цепи выбирают равной 1 ( ). При этом коэффициент передачи по напряжению на центральной частоте равен 3 дБ;
• ширина полосы рабочих частот определяется добротностью интегральных катушек индуктивности. Низкодобротные катушки Si КМОП технологий обеспечивают широкую полосу рабочих частот ФКС;
• входное сопротивление следующего за RLC-фильтром каскада оказывает сильное влияние на его характеристики. Высокое входное сопротивление обеспечивает лучшие характеристики.
В случае емкостной нагрузки RLC-квадратурных фильтров возможно осуществлять коррекцию амплитудной и фазовой ошибок при помощи введения в цепь последовательно с катушками индуктивности и конденсаторами корректирующих резисторов одинакового номинала [16].
ЦИФРОВЫЕ КВАДРАТУРНЫЕ РАСЩЕПИТЕЛИ ФАЗЫ
В МИС квадратурных модуляторов и демодуляторов широко применяются цифровые квадратурные расщепители фазы на основе D-триггеров [17–19]. Функциональная схема триггерного ФКС, а также временные диаграммы его работы приведены на рис. 4а и (б) соответственно.
Схема представляет собой комбинацию двух делителей частоты. В табл. 2 приведены параметры триггерных ФКС, представленных в периодических изданиях и сборниках материалов международных конференций.
Следует отметить, что величина фазовой ошибки в [19] получена после коррекции полифазным фильтром первого порядка. Разбаланс фазы без коррекции составляет 3–4 градуса в диапазоне 0,8–5,2 ГГц.
Преимуществом триггерных ФКС является возможность достичь высокого уровня согласования в широком диапазоне частот [10].
На рис. 5 приведена принципиальная схема D-триггера на логике с переключением тока (Current-mode logic latch в зарубежных источниках), разработанного на основе 0,18 мкм SiGe БиКМОП технологического процесса.
В таком триггере протекает постоянный ток. Это обуславливает низкий уровень выбросов тока, которые при большой скорости переключения могут распространяться к другим чувствительным элементам схемы.
Для уменьшения разбаланса амплитуд на выходах ФКС применяются усилители-ограничители. УО также выполняет функцию буферного усилителя, обеспечивает согласование выхода ФКС с последующим каскадом.
Погрешность сдвига фазы в триггерном ФКС зависит от коэффициента заполнения сигнала, который должен быть строго равен 50 %. Любые отклонения от этой величины приводят к фазовому разбалансу на выходе ФКС. Возможно осуществлять коррекцию фазовой ошибки триггерных ФКС при помощи использования УО на входе схемы.
Триггерные схемы чувствительны к качеству топологии. Длины проводников, по которым протекает сигнал гетеродина, должны быть строго равны [10]. Невыполнение данного условия приводит к изменению скважности и, соответственно, появлению фазовой ошибки. Существенным недостатком триггерных схем, ограничивающих возможность их применения, является необходимость использования входного сигнала с удвоенной рабочей частотой.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
На основе библиотеки элементов 0,18 мкм SiGe БиКМОП технологического процесса были разработаны полифазные фильтры 1, 2 и 4 порядков, квадратурный RLC-фильтр, триггерный ФКС. Для оценки возможности применения разработанных ФКС в МИС квадратурных модуляторов и демодуляторов L-, S-, C-диапазонов частот проведено моделирование их характеристик с учетом температурного и технологического разброса.
На рис. 6–7 представлены зависимости относительной амплитудной и фазовой ошибок выходных сигналов ПФФ 1 порядка, ПФФ 2 порядка и RLC-фильтра от частоты.
На рис. 8 представлена зависимость коэффициента подавления зеркального канала при использовании для формирования квадратурных сигналов ПФФ 1 порядка, ПФФ 2 порядка, RLC-фильтра от частоты.
На рис. 9 представлена зависимость коэффициента передачи ПФФ 1 порядка, ПФФ 2 порядка, RLC-фильтра от частоты.
На рис. 10 представлена зависимость возвратных потерь по входу ПФФ 1 порядка, ПФФ 2 порядка, RLC-фильтра от частоты.
На рис. 11–12 представлены зависимости относительной амплитудной и фазовой ошибок выходных сигналов ПФФ 4 порядка, триггерного ФКС от частоты.
На рис. 13 представлена зависимость коэффициента подавления зеркального канала при использовании для формирования квадратурных сигналов ПФФ 4 порядка, триггерного ФКС от частоты.
На рис. 14 представлена зависимость коэффициента передачи ПФФ 4 порядка, триггерного ФКС от частоты.
На рис. 15 представлена зависимость возвратных потерь по входу ПФФ 4 порядка, триггерного ФКС от частоты.
Полученные в результате моделирования параметры интегральных ФКС представлены в табл. 3.
Наилучшими характеристиками среди разработанных ФКС обладает цифровой расщепитель фазы. Его параметры также показали лучшую устойчивость к температурному и технологическому разбросу. Перспективным для применения в МИС СВЧ квадратурных модуляторов и демодуляторов является ПФФ 4 порядка. Целесообразным является применение корректирующего управляемого фазовращателя для повышения величины коэффициента подавления зеркального канала до значений, сопоставимых с аналогичным параметром триггерного ФКС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе представлен обзор типов, методов и особенностей проектирования СВЧ интегральных ФКС, широко применяемых при построении МИС приемопередающих модулей. Представлены результаты разработки и моделирования параметров формирователей квадратурных сигналов диапазона 1–4 ГГц на основе SiGe БиКМОП технологии. Выполнен сравнительный анализ их характеристик с характеристиками ближайших известных прототипов. Показана возможность коррекции параметров, разработанных ФКС.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты: удалось по ряду технических характеристик превзойти известные ближайшие прототипы СВЧ интегральных ФКС, разработанные ранее в рамках кремниевых технологических процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hampel S. 9-GHz Wideband CMOS RX and TX Front-Ends for Universal Radio Applications / Sven Karsten Hampel, Oliver Schmitz, Marc Tiebout, Koen Mertens, and Ilona Rolfes // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2012, pp. 1105–1116.
2. Haddad F. On the Investigation of Built-in Tuning of RF Receivers Using On-chip Polyphase Filters / Haddad F., Rahajandraibe W., Aziza H., Castellani-Coulié K., Portal J-M. // IEEE 31st VLSI Test Symposium (VTS). — 2013, pp. 1–6.
3. Kageyama C. 0.8–5.2GHz Band SiGe-MMIC Q-MIX for a Multi-Band Multi-Mode Direct Convertion Receiver / Chiemi Kageyama, Kensuke Nakajima, Kouji Tsutsumi, Eiji Taniguchi, Mitsuhiro Shimozawa, Noriharu Suematsu // IEEE Radio and Wireless Conference. — 2004, pp. 211–214.
4. Guo Y. Analysis and Design of a 400MHz-6GHz Quadrature Demodulator with High Linearity / Yadi Guo, Jun Fu, Baoyong Chi, Yudong Wang, Jie Cui // 2016 5th International Symposium on Next-Generation Electronics (ISNE). — 2016, pp. 1–2.
5. Haddad F. Design of Radio Frequency Passive Polyphase Filter for 2.4GHz Wireless Communication Applications / F. Haddad, W. Rahajandraibe, L. Zaid, O. Frioui and R. Bouchakour // Wireless and Microwave Technology Conference, WAMICON ʼ09. IEEE 10th Annual. — 2009, pp. 1–4.
6. Otaka S. A Low Local Input 1.9GHz Si-Bipolar Quadrature Modulator With No Adjustment / Shoji Otaka, Takafumi Yamaji, Ryuichi Fujimoto, Chikau Takahashi, and Hiroshi Tanimoto // IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Vol. 31, 1996, pp. 30–37.
7. Kaukovuori J. Analysis and Design of Passive Polyphase Filters / J. Kaukovuori, K. Stadius, J. Ryynanen, K. A I. Halonen // IEEE Transactions on Circuits and Systems—I: Regular Papers. — Vol. 55, № 10. — November 2008, pp. 3023–3037.
8. Behbahani F. CMOS Mixers and Polyphase Filters for Large Image Rejection / F. Behbahani, Y. Kishigami, J. Leete, Asad A. Abidi // IEEE Journal of Solid-State Circuits. — Vol. 36, № 6. — June 2001, pp. 873–887.
9. Vancorenl P. A Wideband IMRR Improving Quadrature Mixer/LO Generator / P. Vancorenl, M. Steyaert // Proceedings of the European Solid-State Circuits Conference (ESSIRC”2001). — 2001, pp. 360–363.
10. Zhang Y. Wireless Transmitter IQ Balance and Sideband Suppression / Yi Zhang // Wireless Technologies. — 2011, Vol. 1, pp. 60–63.
11. Kaltiokallio M. Active Polyphase Filter Analysis / Mikko Kaltiokallio, Jussi Ryynänen // Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. — 2010, pp. 1125–1128.
12. Mikko Kaltiokallio. A 1 to 5GHz Adjustable Active Polyphase Filter for LO Quadrature Generation / Mikko Kaltiokallio and Jussi Ryynänen // IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. — 2011.
13. Notten M. A 5th Order 14 mWatt Active Polyphase Filter for Analog and Digital TV on Mobile Applications / Marc Notten, Hans Brekelmans Philips Research // 2006 Proceedings of the 32nd European Solid-State Circuits Conference. — 2006, pp. 211–214.
14. Chung-Yun Chou. The Design of Wideband and Low-Power CMOS Active Polyphase Filter and Its Application in RF Double-Quadrature Receivers / Chung-Yun Chou, Chung-Yu Wu // IEEE Transactions on Circuits and Systems—I: regular papers, Vol. 52, № 5. — 2005, pp. 825–833.
15. Vertegel V. V. X-band Active Vector Phase Shifter MMIC Design / V. V. Vertegel, Y. B. Gimpilevich, D. V. Lyalyuk, I. F. Filippov // Nanoindustry, International Forum “Microelectronics-2016” 2nd Scientific Conference “Integrated Circuits and Microelectronic Modules”: Special issue. — Vol. 74. — May 2007, pp. 458–463.
16. Sang Young Kim. An Improved Wideband All-Pass I/Q Network for Millimeter-Wave Phase Shifters / Sang Young Kim, Dong-Woo Kang, Kwang-Jin Koh, Gabriel M. Rebeiz // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — Vol. 60, № 11. — November 2012. — p. 3431 —3439.
17. Iverson E. A 0.05–26GHz Direct Conversion I/Q Modulator MMIC / Eric W. Iverson, Milton Feng // 2014 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS). — 2014, pp. 1–4.
18. Poobuapheun N. A 1.5V 0.7–2.5GHz CMOS Quadrature Demodulator for Multi-band Direct-Conversion Receivers / Nuntachai Poobuapheun, Wei-Hung Chen, Zdravko Boos, and Ali M. Niknejad // 2005 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings. — 2005, pp. 1669–1677.
19. Suematsu N. 0.8–5.2GHz Band SiGe-MMIC Q-MOD for Multi-Band Multi-Mode Direct Conversion Transmitters / Yadi Guo, Jun Fu, Baoyong Chi, Yudong Wang, Jie Cui // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings. — 2005. — p. 4.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art