Tunable integrated radio frequency active resonators.

Abstract

Los avances en las comunicaciones celulares y su difundido uso han impulsado a los fabricantes de transceptores de radiofrecuencia a integrar sus productos y a disminuir el número de componentes fuera del chip. Además, la proliferación de diferentes estándares para sistemas de radiofrecuencia motiva la realización de diseños flexibles en los que un mismo circuito puede ser utilizado para diferentes esquemas de comunicación. En este contexto, los inductores activos constituyen una herramienta atractiva para la configuración del hardware en tiempo real. Un inductor activo es un circuito sin inductores cuya impedancia vista de pequeña señal, en uno de sus puertos, es inductiva. Generalmente ocupa mucho menos área que su equivalente pasivo y ofrece posibilidad de sintonización. Las principales desventajas son el rango lineal limitado, el consumo de energía adicional y el ruido generado por el circuito. En esta tesis los resonadores activos –construidos con inductores activos– son presentados en varios niveles. Partiendo de la motivación, la necesidad del girador como núcleo del resonador activo se convierte en algo natural. A partir de una definición generalizada del girador, pasando por el concepto de resonador activo ideal, este trabajo desarrolla el modelo de resonador activo perfecto como un primer paso, que incorpora la conductancia de salida de los transconductores, y un modelo de resonador activo completo como una aproximación más precisa que también tiene en cuenta los efectos capacitivos de entrada-salida de los dispositivos. En el desarrollo del modelo se introdujeron definiciones clave y se obtuvieron algunos resultados novedosos. Este trabajo propone un factor de calidad del girador y muestra su relevancia en los diseños de resonadores activos (AR); limita, bajo ciertos supuestos, el máximo factor de calidad que el resonador activo puede alcanzar. También se analizan las relaciones de compromiso entre el ruido, la linealidad y el consumo de energía, y se contrastan con simulaciones. El modelo de resonador activo perfecto ha demostrado ser muy potente para diseñar, analizar y comparar cualitativamente arquitecturas de resonadores activos, mientras que el modelo más completo brinda resultados precisos para realizar análisis computacional. Por último, una de las arquitecturas estándar se probó en un diseño global de un amplificador de bajo ruido (LNA), colocándolo como etapa de entrada, proporcionando una red de adaptación sintonizable. Se demostró que los resultados del modelo siguen siendo válidos en este diseño completo que incorpora el transistor del LNA y las fuentes de corriente reales.

The progress in cellular communications and its spread applications have propelledmanufacturers of transceivers to integrate their products and decrease the number ofoff-chip components. Also, the proliferation of different standards of radio frequencysystems motivates flexible designs in which the same circuit could be suitable for dif-ferent communication schemes. In this context, active inductors become an attractivetool for real-time hardware customization.An active inductor is an inductorless circuit whose small signal impedance, atone of its ports, is inductive. Generally, it occupies much less area than its passivecounterpart, and offers tunability. The principal disadvantages are the limited linearrange, the additional power consumption and the noise generated by the circuit.In this thesis, active resonators—built with active inductors—were presented inseveral levels. Starting from the motivation, the need of the gyrator as the activeresonator core becomes natural. From a generalized gyrator definition, passing throughtheideal active resonatorconcept, this work develops theperfect active resonator modelas a first step model which incorporates the output conductance of transconductors,and acomplete active resonator modelas a more accurate approach which also takesinto account the input-output capacitive effects of the devices.In the model development, key definitions were introduced, and some novel resultswere achieved. This work proposes agyrator quality factorand proves its relevance inthe active resonator (AR) designs; it limits, under certain assumptions, the maximumactive resonator quality factor that can be achieved. The trade-offs between noise,linearity and power consumption are also analysed and contrasted with simulations.Theperfect active resonator modelproved to be very powerful to design, analyseand compare qualitatively active resonator architectures, while the more completemodel gives accurately results when performing computational analysis.Finally, one of the standard architectures was proven in an overall design of a lownoise amplifier (LNA) as its input stage, providing a tunable matching network. It isshown that the model results are still valid in this complete design that incorporatesthe LNA core transistor and real current sources.