Comparisons of sige active downconversion mixers and a high performance sige active mixer design for s-band applications
Sige aktif alt çeviren karıştırıcıların karşılaştırılması ve s-band uygulamaları için yüksek başarımlı bir aktif karıştırıcı tasarımı
- Tez No: 457624
- Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN YAZGI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Kablosuz haberleşme sistemlerinde alıcı ve vericiler arasındaki iletişimi sağlamak amacıyla frekans dönüştürme işlemleri sıklıkla kullanılmaktadır. Frekans dönüştürme işlemleri karıştırıcı (mixer) adı verilen devrelerle gerçekleştirilmektedir. Karıştırıcılar giriş işaretini belli bir frekansa sahip yerel osilatör işaretiyle çarpar ve çıkışta bu iki işaretin frekanslarının farkı ve toplamı kadar frekansa sahip iki farklı işaret oluşturur. Alt çeviren karıştırıcılar bu iki işaretin farkını yani frekans olarak daha küçük çıkış bileşenini elde etmede kullanılmaktadır. Özellikle, frekans çevirme işlemi gerektiren alıcı katlarında alt çeviren karıştırıcılar kullanılmaktadır. SiGe bipolar transistörlerin baz bölgesinde hareket yeteneği silisyuma göre görece fazla germanyumun da kullanılması, bu transistörlerin birim kazanç frekanslarını (fT) silisyum bipolar transistörlere göre yüksek kılmaktadır. Öyle ki, aynı proses ailesinde bu fark 3-4 katına kadar çıkabilmektedir. Dolayısıyla yüksek frekans gerektiren elektronik uygulamalarında yüksek maliyetli daha ileri CMOS teknolojilerin kullanılmasındansa görece daha düşük maliyetli SiGe bipolar transistörlerin kullanılması yaygın bir çözümdür. Bipolar transistörlerin MOS transistörlere göre daha dayanıklı olmasından dolayı aynı BiCMOS proseste bulunan bir bipolar transistör, CMOS transistörlere göre daha yüksek besleme gerilimlerine dayanabilmektedir. Bu durum, güç harcanımını artırsa da SiGe transistörlerden daha yüksek performans elde edilmesine imkân sunabilmektedir. S-Bandında (2 – 4 GHz) taşınabilir olmayan baz istasyonu, radar, kablosuz modem vs. gibi uygulamaların alıcı kısımlarında yüksek performanslı alt çeviren karıştırıcılara ihtiyaç duyulabilmektedir. Buna istinaden SiGe tabanlı, 4 aktif alt çeviren karıştırıcı tasarlanmış ve performansları karşılaştırılmıştır. Karıştırıcıların bazıları doğrudan literatürde bulunduğu gibi, bazıları da farklı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricilerinden türetilmiştir. Tezin birinci bölümünde tezin amacı ve genel çerçevesi açıklanmıştır. İkinci bölümde SiGe transistörler hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca karıştırıcılar ve RF devrelere özgü genel kavramlar açıklanmıştır. Üçüncü bölümde, tezde tasarlanacak karıştırıcı devrelerinin blok şemaları ve genel yapıları tanıtılmıştır. Buna ek olarak, tasarımda kullanılan proses hakkında bilgiler verilmiştir. Dördüncü bölümde, yerel osilatör için tasarlanmış kuvvetlendirici devresi ve ara frekans çıkış tampon kuvvetlendiricisi ve SiGe tabanlı 4 aktif alt çeviren karıştırıcı tasarlanmış; devrelerin performansları karşılaştırılmıştır. Yerel osilatör kuvvetlendiricisi ve çıkış tampon kuvvetlendiricisi devrenin performansını iyileştirme maksadıyla tasarlanmıştır ve bu devreler tasarlanmış 4 karıştırıcı için de ortaktır. Dolayısıyla devrelerin birbirlerine göre performanslarının nasıl olduğu bu devrelerden bağımsızdır. Tasarlanan karıştırıcılar sırasıyla Gilbert Cell, Micromixer, Caprio's Quad Mixer ve Gilbert Cell Class AB (GCAB) Mixer şeklindedir. Tasarlanan karıştırıcıların tamamı bir geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi ve anahtarlama dörtlüsü şeklinde gerçeklenmiştir. Dolayısıyla devre performanslarının belirlenmesindeki en önemli etken, devrelerin giriş geçiş iletkenliği katının nasıl tasarlandığıdır. Devrelerin tamamı tek RF girişine sahiptir ve devrelerin hiçbirisinde kırmık içi endüktör kullanılmamıştır. Gilbert Cell en çok bilinen aktif karıştırıcıdır. Giriş geçiş iletkenliği katı uzun kuyruklu devre şeklinde gerçeklenmektedir. Micromixer da daha yakın zamanda önerilmiş bir karıştırıcı topolojisidir ve giriş geçiş iletkenliği katı ortak bazlı ve kaskod iki kuvvetlendiriciden oluşmaktadır. Dolayısıyla devre asimetriktir. Caprio's Quad, farksal kuvvetlendiricide emetör direncinin bozduğu doğrusallığı negatif direnç ekleyerek düzeltmeyi hedefleyen bir geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisidir. Bu kuvvetlendiricinin karıştırıcı olarak kullanılması bu çalışmaya özgü olmuştur. Bunun yanında çapraz bağlamalı devre kuvvetlendirici veya geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi olarak birçok yerde kullanılmaktadır. GCAB Karıştırıcı ilk olarak K Band uygulamaları için önerilmiş bir karıştırıcı topolojisidir. S bandında çok büyük endüktör değerlerinden kaçınmak adına, devre tamamen dirençlerle olacak şekilde gerçeklenmiştir. Tamamen dirençlerle gerçeklenmiş bu devre versiyonu da yine bu teze özgüdür. Devrelerin tüm uçları, giriş empedans uyumunu sağlamak adına 50 ohm'a göre düzenlenmiştir. Devrelerin dönüşüm kazancı, IIP3, 1 dB bastırma noktası ve çift yan band gürültü sayısı benztimleri, 2 – 4 GHz arası RF giriş işaretleri ve sabit 200 MHz çıkış işareti için yapılmıştır. Ardından bu sonuçlar karşılaştırılmış, bunlara sadece çekirdek karıştırıcı devrelerinin güç tüketimi de eklenerek 2 – 4 GHz frekans bandında performans parametreleri hesaplanmıştır. Bu hesaplama sonucunda her bir devre için devre başarımı belli bir formülizasyonu temel alınarak çizdirilmiştir. Elde edilen verilerle 2 – 3 GHz RF frekansı için GCAB karıştırıcı tasarlanmasına karar verilmiştir. Dördüncü bölümde GCAB karıştırıcı özelinde devre yeniden bir devre tasarımına gidilmiştir. Bu tasarımda devreye ölçüm sırasında gelebilecek parazitik endüktörler, pad kapasiteleri hesaba katılmıştır. Ayrıca devreden daha iyi performans elde edebilmek adına, tıpkı bu frekanslardaki ticari karıştırıcı ürünlerinde olduğu gibi kırmık dışı ayrık endüktörler kullanılarak benzetimler yapılmıştır. Devredeki her bloğun serimi farksal işaretlerin geçmesi gözetilerek gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, fazladan gelecek ve performansı etkileyecek parazitik direnç ve kapasitelerin etkisi mümkünce azaltılmaya çalışılmıştır. Ardından, devrede metal hatlardan kaynaklanan parazitik dirençler ve kapasiteler benzetim programı yardımıyla hesaplanmıştır. Bu işlemden sonra parazitik elemanlar devreye ilave edilerek dönüşüm kazancı, IIP3, P1dB, gürültü figürü yeniden simüle edilmiştir. Elde edilen sonuçlar şema düzeyinde elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bunun yanında parazitik çıkartımla benzetimi yapılmış teknik isterlerin sonuçları, ticari olarak üretilmiş SiGe aktif alt çeviren karıştırıcılarla kıyaslanmıştır. Böylece tasarlanan karıştırıcının başarımının değerlendirilmesi yapılmak istenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada SiGe tabanlı aktif alt çeviren karıştırıcı topolojilerine bağlı olarak 4 farklı tipte devre tasarlanmıştır. Ayrıca performanslarını arttırmak amacıyla bu devrelerle beraber ortak olarak yerel osilatör kuvvetlendiricisi ve çıkış tampon kuvvetlendiricisi tasarlanmıştır. Ardından bu devrelerin performansları 2 - 4 GHz RF giriş frekansında karşılaştırılmıştır. Devamında, 2 – 3 GHz RF frekansında en iyi performansı gösteren GCAB karıştırıcı devresi için tasarım yeniden yapılmış, yerel osilatör kuvvetlendiricisi ve çıkış tampon kuvvetlendiricisi yeniden tasarlanmıştır. Tasarlanan devrenin serimi çizilmiş ardından devrenin RC parazitik çıkartımı yapılmıştır. Şema düzeyindeki benzetim sonuçlarıyla parazitik çıkartım neticesinde elde edilen benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır. Parazitik çıkartım sonucu elde edilen sonuçlar, ticari karıştırıcıların performanslarıyla kıyaslanmış ve karıştırıcının performansı değerlendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
In wireless systems, frequency conversion is widely utilized to transmit and receive low frequency signals. These conversions are fulfilled by mixer circuits which are driven by a large local oscillator signal and an input signal. A mixer multiplies these signals and output of the circuit includes two frequency components as sum and difference of frequencies of input signals. In downconversion applications, frequency differences of input signals are acquired at the output of the circuit and frequency of the signal is reduced. SiGe transistors provide high performance especially in non-portable applications because they have higher fT, lower noise and may fed by higher supply voltage in order to obtain high performance, compared to MOS transistors in the same process corner. S-Band applications such as basestations, radars, wireless modems etc. also need to high performance mixer; therefore, there are several commercial mixer products in order to implement frequency conversion for these applications. In this thesis, Chapter 1 gives general information about thesis. SiGe transistors, BiCMOS process and general RF performance metrics in mixer design such as conversion gain, IIP3, noise figure etc. are explained Chapter 2. Chapter 3 is related to active mixer design considerations. LO amplification circuit, and IF amplifier are utilized in the design of the mixers in order to obtain higher performance. In Chapter 4, firstly, these peripheral circuits used in mixer comparisons are described in detail. After this, Gilbert Cell, Micromixer, Caprio's Quad Based Mixer and Gilbert Cell Class AB mixer topologies are presented. Topology informations, hand analyzes, circuit elements, performance metrics, input matching, performance trade-offs of the circuits are examined in detail. At the end of the chapter, all mixers are compared according to determined performance metrics. Furthermore, figure of merit of the mixers in entire S-Band are given to easily understand performance of the mixers. In Chapter 5, Gilbert Cell Class AB Mixer is chosen, designed and laid out. The mixer which is described in previous chapter is reconfigured according to bondwire inductors and pad capacitances. Moreover, another high performance IF amplifier is designed. The whole mixer circuit is designed for 2 – 3 GHz RF frequency differently from comparison sections due to wireless applications. After design information, schematic and parasitic extraction results of the circuit are presented. Finally, future works and possible enhancements in the circuit are discussed. In Chapter 6, all study is summarized.
Benzer Tezler
- Yüksek dinamik aralıklı, Si-Ge tranzistorlu, 8-11GHz simetrik sürümlü B sınıfı kuvvetlendirici tasarımı
High dynamic range 8-11GHz push-pull class B amplifier with SiGe transistor technology
HİLAL HİLYE CANBEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜRVET KIRCI
- Deri prik testi ve spesifik ıge ölçümleri ile hem bal hem de yaban arısı pozitifliği olan hastalarda bat ve allerjen komponent testlerinin karşılaştırması
Comparison of skin prick test and specific ige measurements with bat and allergen component tests in pati̇ents with both honey and wasp positive
ESRA ÖZSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Allerji ve İmmünolojiErciyes Üniversitesiİmmünoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İNSU YILMAZ
- Minimum-noise-figure LNA design procedure for IEEE 802.11a WLAN applications
IEEE 802.11a WLAN uygulamaları için minimum gürültülü LNA tasarım akışı
PINAR BAŞAK BAŞYURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NİL TARIM
- Realization of a voltage controlled oscillator using 0.35 ?m SiGe-BiCMOS technology for multi-band applications
0.35 ?m SiGe-BiCMOS teknolojisi kullanılarak çoklu band uygulamaları için gerilim kontrollü osilatör devresinin gerçeklenmesi
AHMET KEMAL BAKKALOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- Askerlikte ruhsal bozukluk belirtisi gösteren ve göstermeyen erlerin sosyal destekler ve başaçıkma yöntemleri açısından karşılaştırılması
Comparisons of soldiers with and without psychologycal disorders in view of social supports and coping strategies
LATİF ANIL