Analog filters in deep-submicron and ultra-deep-submicron technologies

Abstract

Analoge Filter sind schon seit jeher ein wichtiger Bestandteil in Schaltungen bzw. Übertragungssystemen. Die Integration analoger Filter hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Teil der analogen integrierten Schaltungstechnik entwickelt, was sich auch in der hohen Anzahl der publizierten Artikeln widerspiegelt. Insbesondere für eine Mixed-Signal Lösung in der Deep-Submikrometer oder Ultra-Deep-Submikrometer Technologie ist die Herausforderung an die analoge Schaltungstechnik groß, da es sich um einen rein digitalen CMOS-Prozess handelt und die Transistoren somit nur für digitale Schaltungen optimiert wurden. Auf analoge Prozesserweiterung wird dabei aus Kostengründen verzichtet. Die Verkleinerung der Transistoren auf Gatelängen von 0,12µm und 65nm hat die Auswirkung, dass die Versorgungsspannung zwischen 1,5 und 1,2V und die Schwellspannung typischerweise zwischen 0,4 und 0,3V liegt was wiederum den Signalhub stark einschränkt.<br />Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit 2 unterschiedlichen Filtertopologien. Als erste Architektur wurde die Gm-C Architektur für einen Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 250MHz untersucht, welche für einen Ultra-Wide-Band Empfänger eingesetzt wird. Diese Gm-C Filter bestehen aus Transkonduktanzverstärkern, welche in einer Open-loop Konfiguration arbeiten und deshalb in der Bandbreite nur durch ihre Ausgangskapazität beschränkt sind. Um den Nachteil solcher Transkonduktanzverst\"arker, den geringen Aussteuerbereich bei gegebenen Verzerrungen, zu beheben, werden unterschiedliche Linearisierungsmechanismen untersucht. Um den Einfluss der Prozesstoleranzen möglichst gering zu halten, sind die Verstärkung und die Grenzfrequenz des Filters in diskreten Stufen noch umschaltbar. Die zweite ausgewählte Topologie, die Current-mode Architektur, wird für den Sendepfad einer Software-Radio Applikation eingesetzt. Dieses Tiefpassfilter (Grenzfrequenz 1 und 4MHz) wird am Ausgang eines Digital-Analog-Konverters (DAC) zur Rekonstruktion des Signals eingesetzt. Da dieser DAC mit einer Current-Steering Architektur realisiert wurde, ist die Ausgangsgröße ein Strom. Um Leistung einzusparen, bedient man sich der Current-mode Architektur, d. h. die Signalverarbeitung erfolgt nur mehr durch Ströme. Ein volldifferentieller Current-mode Tiefpass besteht aus zwei kreuzgekoppelten Stromspiegeln und einem RC-Tiefpass. Durch eine innovative Modifikation erreicht man, dass die Kapazität virtuell vergrößert wird, was eine Reduktion der Chipfläche um 50% zur Folge hat.<br />In beiden Topologien wurde eine volldifferentielle Struktur verwendet, damit die Verzerrungen geradzahliger Ordnung, die Gleichtaktunterdrückung bzw. die Versorgunsspannungsunterdrückung minimiert werden.

Analog filters are always important components in electronic circuits and communication systems. In the last years the integration of analog filters has become an important area in the design of analog integrated circuits which results also in a high number of publications.<br />There is a real challenge for the development of mixed-signal solutions in deep-submicron and ultra-deep-submicron technology because the transistors are optimized for digital circuits. Analog process extensions are not available due to their high costs. Scaling down the transistor dimensions to gate length of 0.12µm and 65nm has the consequence that the supply voltage lies between 1.5 and 1.2V and the threshold voltage is typically between 0.4 and 0.3V which reduces the swing a lot. This PhD thesis is investigating filters in two different topologies.<br />The first architecture, the Gm-C approach, is applied for a low-pass with a cut-off frequency of about 250MHz in a ultra-wide-band receiver.<br />A Gm-C filter consists of operational transconductance amplifiers (OTAs) which work in an open-loop configuration and are limited in their bandwidth only by the output capacitances. To reduce the drawback of these OTAs, the small swing, it was necessary to investigate several linearization techniques. The process tolerances are reduced by a digital programmable concept. The second considered topology which is the current-mode architecture is applied to a transmit path of a software radio application. This low-pass, which has a cut-off frequency of 1 and 4MHz, is needed for reconstructing the signal after a current-steering digital-analog converter (DAC). So this DAC provides a current at the output. The power which is used for the conversion from current to voltage can be reduced if a current-mode architecture is used. Current-mode design can be defined as the processing of current signals in an environment where voltage signals are irrelevant in determining circuits. A fully differential current-mode low-pass consists of two cross coupled current mirrors and an RC-low-pass. Due to an innovative modification the capacitance of the filter is virtually increased which causes a reduction of the chip area by 50%. In both topologies a fully differential structure is used which supresses the even-order distortions, the common-mode and the power supply disturbances.