Überblick über Quadratur-Generation. Roland Pfeiffer 15. Vorlesung

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1 Überblick über uadratur-generation Oszillator A Oszillator B Roland Pfeiffer 5. Vorlesung

2 Design einer uadratur-generation Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, ein Signal in zwei um 90 phasenversetzte Signale umzuwandeln (uadratur-generation). Ihre Aufgabe: -Aufgaben der uadratur-generation -Meßgrößen der uadratur-generation -verschiedene uadratur-generation- Architekturen aus Veröffentlichungen Design einer uadratur-generation

3 Wozu uadratur-generation?? Frage: Wozu braucht diese 90 -Verschiebung?? Antwort:??

4 Wozu uadratur-generation?? Frage: Wozu braucht diese 90 -Verschiebung?? Antwort:. zur I-Modulation (quadratische Modulation) 2. für Image Reject Mixer 3. für Single-Sideband Mixer

5 Aufgaben einer uadratur-generation Eine uadratur-generation soll exakt 90 -Phasenverschiebung bewirken Meßgröße: phase error (Mobilfunk: max. ) gleiche Verstärkung in den Armen aufweisen Meßgröße: gain error (Mobilfunk: max. db) über alle Känale wirksam sein

6 Design einer uadratur-generation Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, ein Signal in zwei um 90 phasenversetzte Signale umzuwandeln (uadratur-generation). Ihre Aufgabe: -Aufgaben der uadratur-generation -Meßgrößen der uadratur-generation -verschiedene uadratur-generation- Architekturen aus Veröffentlichungen Design einer uadratur-generation

7 Image-Reject-Mixer, Single-Sideband Mixer Frage: Wie macht diese 90 -Verschiebung sowohl bei LO-Signal als auch beim Signal selbst?? Antwort: durch Hoch- und Tiefpässe als einfachste Lösung!! RF Input sin w cos w LO LO t t LPF LPF A B 90 C IF Output RF Input sin w cos w LO LO t t LPF LPF R C R C IF Output Idealfall: gleiche Verstärkung in den Armen, 90 -Phasenverschiebung

8 RC-CR-Schaltung RC-CR-Netzwerke angewendet auf differentieller Schaltung: 90 Phasenverschiebung I 90 Phasenverschiebung 0 90 C R V DD C R R C L L 2 R C 225 X Y 45 M M 2 I DD V cont

9 RC-CR-Schaltung Beurteilung der RC-CR-Schaltung: R C I Vorteil: -einfache Schaltung -auf allen Signalen anwendbar -90 -Verschiebung für alle Frequenzen Nachteil: -gleiche Verstärkung für eine einzige Frequenz gültig -starke Matching-Abhängigkeit A db , -40 0,0 A db , C R 0, , 0, f f g f f g f f g , , 0 00 f f g

10 Gliederung Problemstellung Schaltungen zur uadratur RC-CR-Schaltung Polyphase-Schaltung Flipflop-Schaltung Ringoszillator 2 gekoppelte LC-Oszillatoren Injektion-Locking Zusammenfassung Literaturhinweise

11 80 0 Polyphase-Schaltung Polyphase-Beispiel: 2-stufiges RC-CR Netzwerk zur 90 -Verschiebung 0 90 Phasenverschiebung 90 Phasenverschiebung Phasenverschiebung Phasenverschiebung

12 90 Phasenverschiebung Polyphase-Schaltung Polyphase-Beispiel: 3-stufiges RC-CR Netzwerk zur 90 -Verschiebung VCO+ 0 I 0 90 VCO- 80 I

13 Polyphase-Schaltung Beurteilung der Polyphase-Schaltung: Vorteil: -stark verringerte Matching-Abhängigkeit -auf allen Signalen anwendbar Nachteil: -aufwendigere Schaltung

14 Gliederung Problemstellung Schaltungen zur uadratur RC-CR-Schaltung Polyphase-Schaltung Flipflop-Schaltung Ringoszillator 2 gekoppelte LC-Oszillatoren Injektion-Locking Zusammenfassung Literaturhinweise

15 Flipflop-Schaltung Prinzip der Flipflop-Schaltung: Erzeugung der doppelten LO-Frequenz Frequenzteilung durch 2 mittels negativ und positiv flankentriggerte Master-Slave-Flipflops flankengetriggertes Master-Slave Flipflops 2 LO :2 I LO 90 Phasenverschiebung :2

16 Flipflop-Schaltung Name: Flipflop (auch Latch ) kann zwei verschiedene Zustände am Ausgang ( Flip oder Flop ) einnehmen abhängig von den Eingängen. Basis: SR-Flipflop (Set/Reset) nach Wahrheitstabelle: Möglichkeit: Inverter-Aufbau V DD S R keine 0 0 Änderung R S S R Latch

17 Flipflop-Schaltung Frage: Was gefällt Ihnen am SR-Flipflop-Aufbau mittels zwei kreuzgekoppelten Invertern nicht?? Antwort:??

18 Flipflop-Schaltung Frage: Was gefallt Ihnen am SR-Flipflop-Aufbau mittels zwei kreuzgekoppelten Invertern nicht?? Antwort: W/L-Verhältnisse V DD W/L groß R S W/L groß W/L klein

19 Flipflop-Schaltung bessere Möglichkeit zum Implementierung eines SR-Flipflop: Aufbau aus NAND-Gattern: V CC E2 E E2 E E E2 & E E

20 Flipflop-Schaltung Basis: SR-Flipflop (Set/Reset) nach Wahrheitstabelle: NAND-Aufbau S S & S R keine 0 0 Änderung R R & S R Latch

21 Flipflop-Schaltung Basis: SR-Flipflop (Set/Reset) nach Wahrheitstabelle: NAND-Aufbau S 0 S & 0 S R keine 0 0 Änderung R R 0 & S R Latch

22 Flipflop-Schaltung Taktzustandsgesteuertes SR-Flipflop (Set/Reset) nach Wahrheitstabelle (Bedingung Clock=): NAND-Aufbau S & Clock S & S R keine 0 0 Änderung R & & S C R Latch

23 Flipflop-Schaltung Taktzustandsgesteuertes Master/Slave-Flipflop nach Wahrheitstabelle (Bedingung Clock (2)=): Master/Slave-Aufbau S R keine 0 0 Änderung S & & & & Clock Clock 2 R & & & & Master Slave

24 Flipflop-Schaltung Taktflankengesteuertes Master/Slave-Flipflop (negative Flanke) nach Wahrheitstabelle: Master/Slave-Aufbau S R keine 0 0 Änderung S & & & & Clock Clock R & & & &

25 Flipflop-Schaltung Taktflankengesteuertes Master/Slave-Flipflop (negative Flanke) nach Wahrheitstabelle: Master/Slave-Aufbau S R keine 0 0 Änderung Clock S R Master latch Clock Slave latch

26 Flipflop-Schaltung Idee zur uadratur: Verbindung der Ausgänge mit den Eingängen S R keine 0 0 Änderung Clock S R Master latch Clock Slave latch

27 Flipflop-Schaltung Idee zur uadratur: Abgriffmöglichkeit von zwei um 90 versetzten Signalen an positiv flankengetriggerten Master und negativ flankengetriggerten Slave der halben Clock-Frequenz 90 Phasenverschiebung Clock S R Master latch I I Clock Slave latch positiv flankengetriggert negativ flankengetriggert

28 Flipflop-Schaltung Idee zur uadratur: Ersatz der Clock-Frequenz mit 2 LO 90 Phasenverschiebung Clock =2 LO!! S R Master latch I I Clock Slave latch positiv flankengetriggert negativ flankengetriggert

29 Flipflop-Schaltung Idee zur uadratur: Inverter differentiellen Ausgänge des VCOs mit 2 LO Clock Clock V DD L L 2 Clock X Y Clock M M 2 I DD V cont

30 Flipflop-Schaltung Idee zur uadratur: Inverter differentiellen Ausgänge des VCOs mit 2 LO Clock =2 LO!! S R Master latch positiv flankengetriggert I I 90 Phasenverschiebung Clock Slave latch negativ flankengetriggert V DD L L 2 X Y M M 2 I DD V cont

31 Flipflop-Schaltung Frage: Was gefällt Ihnen an unterer Schaltung nicht?? Antwort:?? Clock =2 LO!! S R Master latch positiv flankengetriggert I I 90 Phasenverschiebung Clock Slave latch negativ flankengetriggert V DD L L 2 X Y M M 2 I DD V cont

32 Flipflop-Schaltung Frage: Was gefällt Ihnen an unterer Schaltung nicht?? Antwort: Vermischung analog-digital, Vorausetzung 50% Tastverhältnis 50% duty cycle Clock =2 LO!! S R Master latch positiv flankengetriggert I I 90 Phasenverschiebung Clock Slave latch negativ flankengetriggert V DD L L 2 X Y M M 2 I DD V cont

33 Flipflop-Schaltung Beurteilung der Flipflop-Schaltung flankengetriggertes Master-Slave Flipflops Vorteil: -sehr hohe Genauigkeit Nachteil: 2 LO :2 I LO :2 -nur bei Oszillatoren anwendbar -rechteckiges Ausgangssignal (Harmonische) -doppelte LO-Frequenz nötig

34 Gliederung Problemstellung Schaltungen zur uadratur RC-CR-Schaltung Polyphase-Schaltung Flipflop-Schaltung Ringoszillator 2 gekoppelte LC-Oszillatoren Injektion-Locking Zusammenfassung Literaturhinweise

35 Ringoszillator Ringoszillatoren: ungerade Anzahl von Invertern Ausgang des letzten Inverters verbunden mit Eingang der ersten Inverters Odd Number of Inversions Frage: Einsatz für die uadratur-erzeugung? Antwort:??

36 Ringoszillator Ringoszillatoren: ungerade Anzahl von Invertern Ausgang des letzten Inverters verbunden mit Eingang der ersten Inverters Odd Number of Inversions Frage: Einsatz für die uadratur-erzeugung? Antwort: nicht möglich, da ungerade Inverter-Zahl gerade Anzahl von Phasensprüngen (0,90,80,270 )!!

37 + Ringoszillator Ringoszillator : Inverter differentieller Verstärker, 4-stufiger Ringoszillator mit Vertauschung der +/- Eingänge an einer Stelle 0 90 Phasenverschiebung + I 90 Phasenverschiebung Stage Ring Oscillator Phasenverschiebung + I + 90 Phasenverschiebung 80

38 + Ringoszillator Ringoszillator als VCO: einstellbarer differentieller Verstärker (ähnlich Variable-Gain Amplifier VGA) Stage Ring Oscillator V c V c + +

39 + Ringoszillator + Beurteilung der Ringoszillator-Schaltung + + Vorteil: -sehr hohe Genauigkeit + 4-Stage Ring Oscillator Nachteil: + + -nur bei Oszillatoren anwendbar -Phase Noise: nicht minimale Anzahl aktiver Elemente +

40 Gliederung Problemstellung Schaltungen zur uadratur RC-CR-Schaltung Polyphase-Schaltung Flipflop-Schaltung Ringoszillator 2 gekoppelte LC-Oszillatoren Injektion-Locking Zusammenfassung Literaturhinweise

41 2 gekoppelte Oszillatoren Prinzip: zwei gekoppelte LC-Oszillatoren Abgriffe mit 90 Phasenverschiebung an den Drains der NMOS Oszillator A Oszillator B Kreuzkopplung Direkte Kopplung

42 Schwingbedingung Schwingungsbedingung erfüllt oder nicht erfüllt??? Schwingbedingung erfüllt neutrales Signal auf den Koppel-Gates Schwingbedingung nicht erfüllt entgegengesetztes Signal auf den Koppel-Gates zum Signal auf Oszillator- Gates Koppel- Transistoren Gate- Spannung

43 2 gekoppelte Oszillatoren Bezeichnung der Transistoren: Oszillator A Oszillator B MA M2A M4A M3B MB M2B M4B M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

44 2 gekoppelte Oszillatoren Unmöglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 0 Phasenunterschied schwingen Oszillator A M2A M4A Oszillator B Oszillator B schwingt nicht!! MA M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

45 2 gekoppelte Oszillatoren Unmöglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 80 Phasenunterschied schwingen Oszillator A schwingt nicht!! Oszillator A Oszillator B M2A M4A MA M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

46 2 gekoppelte Oszillatoren Möglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 90 Phasenunterschied schwingen Oszillator A Oszillator B M2A M4A MA M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

47 2 gekoppelte Oszillatoren Möglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 90 Phasenunterschied schwingen Oszillator A Oszillator B M2A M4A MA M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

48 2 gekoppelte Oszillatoren Möglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 90 Phasenunterschied schwingen Oszillator A Oszillator B M2A M4A MA M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

49 2 gekoppelte Oszillatoren Möglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 90 Phasenunterschied schwingen Oszillator A Oszillator B M2A M4A MA M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

50 2 gekoppelte Oszillatoren schwingfähiges System und Unmöglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 0 bzw. 80 Phasenunterschied schwingen 90 Phasenunterschied!! Oszillator A I Oszillator B I Kreuzkopplung Direkte Kopplung

51 2 gekoppelte Oszillatoren bisher: Koppelfunktion und Oszillatorfunktion 2 Transistoren erhöhtes Phasenrauschen Koppelfunktion und Oszillatorfunktion nur Transistor?? Substratanschluß Back-Gate -Anordnung V DD L L L L B C B R B M M2 C B R B B G B g m,g V GS D g m,b V BS V GS V BS g o S

52 2 gekoppelte Oszillatoren Beurteilung von zwei gekoppelte Oszillatoren Vorteil: -sehr hohe Genauigkeit -Phase Noise: minimale Anzahl aktiver Elemente in Back-Gate -Anordnung, plus Koppeltransistoren in normaler Anordnung I I Nachteil: -nur bei Oszillatoren anwendbar -zwei VCOs nötig

53 Gliederung Problemstellung Schaltungen zur uadratur RC-CR-Schaltung Polyphase-Schaltung Flipflop-Schaltung Ringoszillator 2 gekoppelte LC-Oszillatoren Injektion-Locking Zusammenfassung Literaturhinweise

54 LC-Oszillatoren differentielle LC-Oszillatoren: doppelte Frequenz an der Source nicht leitend leitend M M2 leitend nicht leitend differentielle Schaltung

55 Injection locking Injection locking: uadratur Generation durch Einspeisung eines differentiellen Signal mit 2 f an der Source des Ozillators mit f I f 90 f = 80 2 f f 2 f

56 Mixer I Mixer Injection locking Injection locking: uadratur Generation durch Einspeisung eines diffentiellen Signal mit 2 f an der Source des Ozillators mit f V DD V DD + DC- V Kontrolle + MI + VCO 2 f M 2 f + 2 f

57 Injection locking Beurteilung von Injektion locking Vorteil: -sehr hohe Genauigkeit - VCO mit 2 f fürs Phasenrauschen entscheidend Phasenrauschen unlocked > locked Nachteil: -nur bei Oszillatoren anwendbar -drei VCOs nötig - Lock range bei Injektion locking: Frequenzbereich, über den die drei VCOs synchronistiert sind -extra Amplitudenregelung

58 Zusammenfassung Problemstellung Schaltungen zur uadratur RC-CR-Schaltung Polyphase-Schaltung Flipflop-Schaltung Ringoszillator 2 gekoppelte LC-Oszillatoren Injektion-Locking Zusammenfassung Literaturhinweise

59 Literaturhinweise Artikel: -A. A. Abidi, Direct-Conversion Radio Transceivers for Digital Communications, Journal of Solid-State Circuits, Dezember 995 -A. Rofougaran et al, A Single-Chip 900-MHz Spread-Spectrum Wireless Transceiver in - m CMOS- Part I: Architecture and Transmitter Design, Journal of Solid-State Circuits, April 998 -B. Razavi, Challenges in Portable RF Transceiver Design, IEEE Circuits and Devices, Dezember 996 -viele Veröffentlichungen