A contribution to continuous time quadrature bandpass sigma-delta modulators for low-IF receivers [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Song-Bok Kim

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

A Contribution to Continuous-Time Quadrature
Bandpass Sigma-Delta Modulators
for Low-IF Receivers
Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
M.Sc.
Song-Bok Kim
aus S. Hamgyong, DPR Korea
Berichter: Univ.- Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinen Prof. Dr.-Ing. Maurits Ortmanns
Tag der mündlichen Prüfung: 17. April 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfügbar.iito my motherland and my family,
iiiivContents
iii
1. Introduction 1
1.1. Motivation of This Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Goal of This Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Structure of This Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Overview of RF Receivers and ΣΔMs 5
2.1. Integrated Receiver Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1. Superheterodyne Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2. Zero-IF Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3. Low-IF Receiver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. CT Sigma-Delta Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1. CT Lowpass ΣΔM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2. CT Real Bandpass ΣΔM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3. CT Quadrature Bandpass ΣΔM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. Design of CT-QBP ΣΔM 15
3.1. Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1. Direct Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1.1. NTF (z) for QBP ΣΔM . . . . . . . . . . . . . . . 17QBP
3.1.1.2. CT Complex Loop Filter H (s) . . . . . . . . . . . 17PPF
3.1.2. Indirect Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3. Inversed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3.1. Optimization Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3.2. CT-DT Equivalents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
´3.1.3.3. Estimation of NTF (z) . . . . . . . . . . . . . . . . 21QBP
3.2. Simulation for CT-QBP ΣΔM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4. CT-QBP ΣΔMs with CICFF Topology 25
4.1. Overview for Polyphase Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2. Lowpass Filter with CICFF topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3. Polyphase Filter with CICFF topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4. Implementation of Polyphase Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
v5. Analysis of Nonidealities 43
5.1. Finite Gain Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.1.1. Stability of the Complex Integrator . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1.2. Deviation from the Center Frequency . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.1.3. Polyphase Filter with CIFF and CICFF Topologies . . . . . . . 49
5.1.4. Compensation of the Deviation from the Center Frequency . . . 53
5.2. Excess Loop Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.1. Analysis of Excess Loop Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.2. Effects of Excess Loop Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.3. Compensation of Excess Loop Delay . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3. Mismatched Loop Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.1. Effect of Mismatched Loop Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.2. Continuous-Discrete Transformation . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.3. Compensation of Mismatched Loop Delay . . . . . . . . . . . . 72
5.3.3.1. Ratio of Center Frequency to Sampling Frequency . . . 72
5.3.3.2. Compensation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4. Clock Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4.1. Clock Jitter in CT-QBP ΣΔM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4.2. Power Spectral Density of Error Signal by Clock Jitter . . . . . 79
5.4.3. SNR Estimation of CT-QBP ΣΔM . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5. Nonlinearity of Multibit DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5.1. Complex Tree-Structured DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5.2. Mismatch Shaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5.3. Implementation of Complex Mismatch Shaper . . . . . . . . . . 90
6. Application Examples 97
6.1. CT-QBP ΣΔM for GSM/EDGE Low-IF Receiver . . . . . . . . . . . . 97
6.1.1. Polyphase Filter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1.2. Modulator Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.1.3. Mor Nonidealities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.1.3.1. Sensitivity to RC-Product Variation . . . . . . . . . . 100
6.1.3.2. Excess Loop Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.1.3.3. Clock Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.1.3.4. Finite GBW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2. CT-QBP ΣΔM for GPS/Galileo Low-IF Receiver . . . . . . . . . . . . 105
6.2.1. Polyphase Filter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.2. Modulator Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3. Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3.1. Integrator Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3.2. Quantizer and Feedback DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3.3. Calibration of RC-Product . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.4. Chip Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
vi7. Measurement Results 115
7.1. Measurement Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.2. Dynamic Range and SNDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2.1. GSM/EDGE Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2.2. GPS/Galileo Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8. Conclusion 123
Bibliography 127
A. Appendix 139
A.1. Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.2. Subroutine List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
A.3. Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A.4. Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
A.5. Curriculum Vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
viiviiiList of Figures
2.1. Superheterodyne receiver architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Homodyne receiver architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3. Low-IF receiver architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4. Architecture of CT lowpass ΣΔM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5. Arc of CT-RBP ΣΔM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6. Architecture of CT-QBP ΣΔM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7. CT-QBP ΣΔM in low-IF receivers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1. Design methodology for CT-QBP ΣΔM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2. Magnitude response and placement of pole (×) and zero (o) of the
NTF (z). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18QBP
3.3. CT-DT equivalent diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1. Implementation of the polyphase filter by frequency shifting from the
lowpass filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2. Single polyphase filter obtained by two lowpass filters. . . . . . . . . . 26
4.3. Lowpass CT ΣΔM architecture with CIFB a) and CIFF toplogy b). . 28
4.4. Loop filter with capacitive feedforward structure. . . . . . . . . . . . . 29
4.5. Loop filter with capacitive fard st . . . . . . . . . . . . 30
4.6. Local feedback loop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.7. Implementation of capacitive feedforward summation. . . . . . . . . . 32
4.8. Cross-coupling in cascaded local feedback loops. . . . . . . . . . . . . 34
4.9. Compensation cross-couplings in last stage. Here y =y +jy . . . . 36i I,i Q,i
4.10.Fourth-order polyphase filter with the CICFF topology. . . . . . . . . 38
4.11.Amplitude and phase response of fourth-order polyphase filter. . . . . 40
4.12.Poles and zeros of the equivalent NTF . . . . . . . . . . . . . . . . 41QBP
5.1. Complex integrator with additional voltage sources caused by finite
GBW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2. The dominant pole locus of the complex integrator with f =5 MHz.c
The arrow denotes the increasing direction of GBW. GBW=η· 2πfs
with η = 1∼ 10, and the step size of η is 1. . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3. The dominant pole locus of the complex integrator with a = 0.5·2πf . 45i s
5.4. The open-loop gain of the equivalented amplifier of the lossy integrator. 46
5.5. Pole placement with w . Here, GBW=4·2πf , a = 0.5·2πf . . . . . 46g,i s i s
ix5.6. The dominant pole locus of the complex lossy integrator, with a =i
0.5·2πf .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47s
5.7. The shifted complex