Design of CMOS active downconversion mixers for gigahertz multi-band and multiple-standard operation

Abstract

The linearity and noise requirements in multi-band multi-standard applications make the design of RF CMOS mixers a very challenging task. In this dissertation two downconversion mixers based on the Gilbert-cell topology are proposed. Linearity and noise were the principal figures of merit for the proposed mixers. For linearity improvement, post distortion harmonic cancellation (PDHC) was employed. And, for noise reduction, dynamic current injection combined with an LC filter tuned at the LO frequency and thermal-noise cancellation were used. A Volterra series analysis of the transconductance stage is reported to show the effectiveness of the post-distortion harmonic cancellation technique. The added linearization circuitry does not increase the size of the mixer, nor does it degrade conversion gain, noise figure, or power consumption. Electrical simulations were performed on extracted layout level from the first topology and schematic level from the second topology. Using an IBM 0.13 mm CMOS process improvements on IIP3 and IIP2 in comparison to the conventional Gilbert-cell mixer are demonstrated. For the first topology, we achieved a conversion gain of 10.2 dB with a NF of 12 dB for the designed mixer working at 2 GHz, with a low-IF of 500 kHz and an IIP2 and IIP3 of 55 dBm and 10.9 dBm, respectively, while consuming only 5.3 mW from a 1.2 V supply. For the second topology, we achieved a conversion gain range of [13.8 ~11] dB, an input reflection coefficient (S11) of [-18 ~-9.5] dB and a NF of [8.5 ~11] dB in the frequency range of 1 to 6 GHz. For the linearity specs, an IIP3 of 0 dBm was achieved for the whole frequency range, while consuming 19.3 mW from a 1.2 V supply, making the second topology well suited for multi-band and multi-standard operation.

Os requisitos de linearidade e ruído em aplicações multi-banda e multi-protocolo fazem que o projeto de misturadores RF seja uma tarefa muito desafiadora. Nesta dissertação dois misturadores com base na topologia célula de Gilbert são propostas. Linearidade e ruído foram as principais figuras de mérito consideradas para o misturadores propostos. Para aumento linearidade, foi utilizada uma técnica de cancelamento de harmônicas pós-distorção (PDHC). E, para redução de ruído, foi utilizado um circuito de redução dinâmica de corrente combinada com um filtro LC sintonizado na frequência do LO e cancelamento de ruído térmico. A análise por séries Volterra do estágio transcondutância do misturador proposto é reportada para mostrar a eficácia da técnica de cancelamento de harmônicos com pósdistorção. O circuito de linearização adicionado não aumenta o tamanho do misturador, nem degrada ganho de conversão, figura de ruído, ou consumo de potência. Simulações elétricas foram realizadas em nível de pós-layout para a primeira topologia e nível esquemático para a segunda topologia, usando processo CMOS de 0.13 mm da IBM. As melhorias em IIP2 e IIP3 são apresentadas em comparação com o misturador do tipo célula de Gilbert convencional. Para a primeira topologia, foi obtido um ganho de conversão de 10.2 dB com uma NF de 12 dB para o misturador projetado funcionando a 2 GHz, com uma frequência intermediária de 500 kHz. E um IIP2 e IIP3 de 55 dBm e 10.9 dBm, respectivamente, consumindo apenas 5.3 mW de uma fonte de 1.2 V. Para a segunda topologia, foram obtidos um ganho de conversão de [13.8 ~11] dB, um coeficiente de reflexão na entrada (S11) de [-18 ~-9.5] dB e um NF de [8.5 ~11] dB no intervalo de 1 a 6 GHz. Para as especificações de linearidade, um valor médio de IIP3 de 0 dBm foi alcançado para toda a faixa de frequência, consumindo 19.3 mW a partir de uma fonte de 1.2 V. Especificações adequadas para operação multi-banda e multi-protocolo.