Analysis, design and implementation of analog/RF blocks suitable for a multi-band analog interface for CMOS SOCs

Abstract

O desenvolvimento de tecnologias de integração para circuitos integrados junto com a demanda de cada vez mais processamento digital de sinais, como em sistemas de telecomunicações e aplicações SOC, resultaram na crescente necessidade de circuitos mistos em tecnologia CMOS integrados em um único chip. Em um trabalho anterior, a arquitetura de uma interface analógica para ser usada em aplicações SOC mistas foi desenvolvida e implementada. Basicamente esta interface é composta por uma célula analógica fixa (fixed analog cell – FAC), que translada o sinal de entrada para uma freqüência de processamento fixa, e por um bloco digital que processa este sinal. Primeiramente, as especificações de sistema foram determinadas considerando o processamento de sinais de três bandas de freqüência diferentes: FM, vídeo e celular, seguido por simulações de alto-nível do sistema da FAC. Então, uma arquitetura heteródina integrada CMOS para o front-end que integrará a FAC, composto por 2 mixers ativos e um amplificador de ganho variável, foi apresentada, enumerando-se e propondo-se soluções para os desafios de projeto e metodologia. Os blocos analógicos/RF, juntamente com o front-end, foram projetados e implementados em tecnologia CMOS IBM 0.18μm, apresentando-se simulações e medidas de um protótipo físico.

The development of IC technologies coupled with the demand for more digital signal processing integrated in a single chip has created an increasing need for design of mixed-signal systems in CMOS technology. Previously, a general analog interface architecture targeted to mixed-signal systems on-chip applications was developed and implemented, which is composed by a fixed analog cell (FAC), that translates the input signal to a processing frequency, and a digital block, that processes the signal. The focus of this thesis is to analyze, design and implement analog/RF building blocks suitable for this system. First, a set of system specifications is developed and verified through system level simulations for the FAC system, aiming the signal processing of three target applications: FM, video and digital cellular frequency bands. Then, a fully CMOS integrated dual-conversion heterodyne front-end architecture with 2 active mixers and a variable-gain amplifier is presented, enumerating and proposing solutions for the design challenges and methodology. The stand-alone building blocks and the front-end system are designed and implemented in IBM 0.18μm CMOS process, presenting simulations and experimental data from an actual physical prototype.