Behavioral Analysis of switched capacitor filters for radiocommunications : Design of a new architecture in BiCMOS 0.35 μm technology
Analyse comportementale des filtres à capacités commutées pour les radiocommunications : Conception d'une nouvelle architecture en technologie BiCMOS 0,35 μm
Résumé
The main objective of the present research work is both to study the feasibility of radio-frequency monolithic switched capacitor filters for radio-communications, and to proceed to the analysis and design of these filters in the standard BiCMOS 0.35 μm technology. The behavioral analysis of these filters required the establishment of an original algorithm based on the conversion matrixes formalism, which in general principle consists of linearizing the non-linear elements around the operating points. This analysis method, especially used for the phase noise study of oscillator, seems to be among the most rigorous and efficient in term of calculation time for the analysis of this kind of filters in the present day. Traditionally, at low-frequencies the command of these filters is performed by using a shift register. However, this technique is not feasible in RF domain. An original solution has been proposed which consists in the use of a ring voltage controlled oscillator with " XOR " gates to command the filter. In the present thesis, it has been shown that the association of such command circuit with these filters presents some advantages which make it more attractive for designers. For the application in radiocommunication specifications, the classical structure of the switched capacitor filter has been optimized to reduce the noise figure and to increase the dynamic range, thus a new architecture (LC switched capacitor filter) has been proposed. The whole circuit has been simulated in the case of digital transmission (ex. p/4-DQPSK), the results have shown the adaptability for such kind of transmission. Moreover, the command circuit phase noise has been taken in account to study the jitter impact on the filter behavior. To validate the simulation results, a prototype consisted of an LC switched capacitor filter and its command circuit has been fabricated in standard BiCMOS 0.35 μm technology, the chip area is 1.1 x 1.75 mm². This first prototype has allowed to prove the feasibility of this architecture in the RF domain. The experimental results are in good agreement with simulations and are susceptible to render this original architecture attractive for RF applications.
Le travail de recherche présenté dans ce mémoire s'inscrit dans l'objectif général d'étudier la faisabilité de filtres monolithiques radiofréquences (RF) à capacités commutées pour la radiocommunication mobile, et de pouvoir procéder à l'analyse et à la conception de ces filtres en technologie standard BiCMOS 0,35 μm. L'analyse comportementale de ces filtres a nécessité la mise au point d'un algorithme original basé sur le formalisme des matrices de conversion, dont le principe général consiste à effectuer une linéarisation des éléments non-linéaires autour du point de fonctionnement grand signal. Cette méthode d'analyse, spécialement utilisée pour l'analyse du bruit de phase des oscillateurs, semble à ce jour parmi les plus rigoureuses et les plus efficaces en terme de temps de calcul pour l'analyse de ce type de filtres. Traditionnellement, à basse fréquence la commande de ces filtres est réalisée à l'aide d'un registre à décalage. Cependant, cette technique n'est pas envisageable en RF. Une solution originale qui consiste à commander le filtre à partir d'un oscillateur en anneau contrôlé en tension et de portes logiques " ou exclusif " a été proposée. Grâce à cette solution, il a été montré que l'association d'un tel circuit de commande appliqué à ce type de filtre présente des avantages importants et par conséquent devrait le rendre beaucoup plus attractif pour les concepteurs. Pour répondre aux spécifications de la radiocommunication mobile, la structure classique du filtre a été optimisée pour réduire le facteur du bruit et augmenter la dynamique, ainsi une nouvelle architecture (filtre LC à capacités commutées) a été proposée. Des simulations ont été réalisées sur l'ensemble du circuit afin de prévoir les dégradations éventuelles qui peuvent être générées par ces circuits lors d'une transmission numérique (ex. p/4-DQPSK) et d'étudier ainsi l'impact du bruit de phase (gigue temporelle) généré par le circuit de commande sur le comportement du filtre. Parallèlement, un prototype composé d'un filtre LC à capacités commutées et de son circuit de commande a été fabriqué en technologie standard BiCMOS 0,35 mm, sur une puce de taille de 1,1 x 1,75 mm². Ce premier circuit a permis de prouver la faisabilité de cette architecture dans le domaine des RF. Les résultats expérimentaux confirment les simulations et sont susceptibles de rendre cette architecture originale attractive pour des applications radiofréquences.
Mots clés
Analog design
Switched capacitor filters
non-linear circuits
conversion matrixes
quality factor
band-pass
selectivity
tunable
command circuit
ring voltage controlled oscillator
phase noise
BiCMOS 0.35 μm
error vector magnitude
radio-communications on-chip systems
Filtres à capacités commutées
circuits non-linéaires
matrices de conversion
commutation
facteur de qualité
passe-bande
sélectivité
accordable
circuit de commande
oscillateur en anneau contrôlé en tension
bruit de phase
jitter
BiCMOS 0
35 μm
vecteur d'erreur de modulation
systèmes de radiocommunication intégrés
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