Überblick über Quadratur-Generation. Roland Pfeiffer 15. Vorlesung

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1 Überblick über uadratur-generation Oszillator A Oszillator B Roland Pfeiffer 15. 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 Aufgaben einer uadratur-generation Eine uadratur-generation soll exakt 90 -Phasenverschiebung bewirken Meßgröße: phase error (Mobilfunk: max. 1 ) gleiche Verstärkung in den Armen aufweisen Meßgröße: gain error (Mobilfunk: max. 1dB) über alle Känale wirksam sein

5 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

6 Image-Reject-Mixer, Single-Sideband Mixer Frage: Wie macht diese 90 -Verschiebung sowohl bei LO-Signal als auch beim Signal selbst?? Antwort:?? sin ω t LO cos ω t LO LPF A 90 C IF Output RF Input cos ω t 1 sin ω t 1 LPF B 90

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 ω t LO cos ω t LO LPF LPF A B 90 C IF Output RF Input sin ω t LO cos ω t LO 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 1 L 2 R C 225 X Y 45 M 1 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 ,01 ϕ 0, A db ,1 0,1 C R 0, , f f g f f g f f g -40 ϕ -90 0, , 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 Polyphase-Schaltung Polyphase-Beispiel: 2-stufiges RC-CR Netzwerk zur 90 -Verschiebung 0 90 Phasenverschiebung 90 Phasenverschiebung Phasenverschiebung Phasenverschiebung

12 Polyphase-Schaltung Polyphase-Beispiel: 3-stufiges RC-CR Netzwerk zur 90 -Verschiebung VCO+ 0 I 0 VCO- 180 I Phasenverschiebung 270

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 bessere Möglichkeit zum Implementierung eines SR-Flipflop: Aufbau aus NAND-Gattern: V CC E2 E1 E2 E1 E1 E2 & E1 E

19 Flipflop-Schaltung Basis: SR-Flipflop (Set/Reset) nach Wahrheitstabelle: NAND-Aufbau S 1 S & S R keine 0 0 Änderung R 1 R & S R Latch

20 Flipflop-Schaltung Basis: SR-Flipflop (Set/Reset) nach Wahrheitstabelle: NAND-Aufbau S 0 S 1 1 & 0 S R keine 0 0 Änderung R 1 1 R 0 & 1 S R Latch

21 Flipflop-Schaltung Taktzustandsgesteuertes SR-Flipflop (Set/Reset) nach Wahrheitstabelle (Bedingung Clock=1): NAND-Aufbau S & Clock S & S R keine 0 0 Änderung R & & S C R Latch

22 Flipflop-Schaltung Taktzustandsgesteuertes Master/Slave-Flipflop nach Wahrheitstabelle (Bedingung Clock 1(2)=1): Master/Slave-Aufbau S R keine 0 0 Änderung S & & & & Clock 1 Clock 2 R & & & & Master Slave

23 Flipflop-Schaltung Taktflankengesteuertes Master/Slave-Flipflop (negative Flanke) nach Wahrheitstabelle: Master/Slave-Aufbau S R keine 0 0 Änderung S & & & & Clock Clock R & & & & 1

24 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 1

25 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 1

26 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 1

27 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 1

28 Flipflop-Schaltung Idee zur uadratur: Inverter differentiellen Ausgänge des VCOs mit 2 LO Clock 1 Clock V DD L 1 L 2 Clock X Y Clock M 1 M 2 I DD V cont

29 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 1 L 2 X Y M 1 M 2 I DD V cont

30 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 1 L 2 X Y M 1 M 2 I DD V cont

31 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

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

33 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:??

34 + 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 180

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

36 + 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 +

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

38 2 gekoppelte Oszillatoren Prinzip: zwei gekoppelte LC-Oszillatoren Abgriffe mit 90 Phasenverschiebung an den Drains der NMOS Oszillator A Oszillator B Kreuzkopplung Direkte Kopplung

39 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

40 2 gekoppelte Oszillatoren Bezeichnung der Transistoren: Oszillator A Oszillator B M1A M2A M4A M3B M1B M2B M4B M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

41 2 gekoppelte Oszillatoren Unmöglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 0 Phasenunterschied schwingen Oszillator A M2A M4A Oszillator B Oszillator B schwingt nicht!! M1A M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

42 2 gekoppelte Oszillatoren Unmöglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 180 Phasenunterschied schwingen Oszillator A schwingt nicht!! Oszillator A Oszillator B M2A M4A M1A M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

43 2 gekoppelte Oszillatoren Möglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 90 Phasenunterschied schwingen Oszillator A Oszillator B M2A M4A M1A M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

44 2 gekoppelte Oszillatoren Möglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 90 Phasenunterschied schwingen Oszillator A Oszillator B M2A M4A M1A M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

45 2 gekoppelte Oszillatoren Möglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 90 Phasenunterschied schwingen Oszillator A Oszillator B M2A M4A M1A M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

46 2 gekoppelte Oszillatoren Möglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 90 Phasenunterschied schwingen Oszillator A Oszillator B M2A M4A M1A M3A Kreuzkopplung Direkte Kopplung

47 2 gekoppelte Oszillatoren schwingfähiges System und Unmöglichkeit, daß beide Oszillatoren mit 0 bzw. 180 Phasenunterschied schwingen 90 Phasenunterschied!! Oszillator A I Oszillator B I Kreuzkopplung Direkte Kopplung

48 2 gekoppelte Oszillatoren bisher: Koppelfunktion und Oszillatorfunktion 2 Transistoren erhöhtes Phasenrauschen Koppelfunktion und Oszillatorfunktion nur 1 Transistor?? Substratanschluß Back-Gate -Anordnung V DD L L L L B C B R B M1 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

49 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

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

51 LC-Oszillatoren differentielle LC-Oszillatoren: doppelte Frequenz an der Source nicht leitend leitend M1 M2 leitend nicht leitend differentielle Schaltung

52 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 = f f 2 f

53 Injection locking Injection locking: uadratur Generation durch Einspeisung eines diffentiellen Signal mit 2 f an der Source des Ozillators mit f V DD Amplituden Kontroll Schaltung V Kontroll V DD + + Mixer I M1I + VCO 2 f M1 Mixer 2 f + 2 f

54 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

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

56 Literaturhinweise Artikel: -A. A. Abidi, Direct-Conversion Radio Transceivers for Digital Communications, Journal of Solid-State Circuits, Dezember A. Rofougaran et al, A Single-Chip 900-MHz Spread-Spectrum Wireless Transceiver in 1-μm CMOS- Part I: Architecture and Transmitter Design, Journal of Solid-State Circuits, April B. Razavi, Challenges in Portable RF Transceiver Design, IEEE Circuits and Devices, Dezember viele Veröffentlichungen

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