第三章 不同電路架構 LO 隔絕度之分析與比較
3.3 不同電路架構隔絕度的分析與比較
3.3.3 不同電路架構隔絕度的實測與比較
圖3.7(b)為GaInP/GaAs HBT內建集總鼠徑分合波微混頻器的die photo，可以看得出來內建的集總鼠徑分合波器占了晶片上很大的面 積，晶片整體的面積為1×1 mm2。圖3.8(b)為GaInP/GaAs HBT 5.2 GHz stacked-LO次諧波微混頻器的die photo，Vcc=3.3V時，混頻器核心消 耗4 mA的電流，晶片整體的面積為1×1.5 mm2，主要是由於LO端產生
正交訊號的RC-CR多相位產生器，因為LO的頻率低，故所需的電容 值大，所佔面積也大。圖3.9 (b)為GaInP/GaAs HBT 10 GHz真正LO相 位平衡並利用LO倍頻器之微混頻器的die photo，Vcc=5V時，混頻器核 心消耗4 mA的電流，晶片整體的面積為1×1 mm2。
(a) (b)
圖3.7 內建集總鼠徑分合波微混頻器(a)電路圖(b)die photo
(a) (b)
圖3.8 5.2 GHz stacked-LO次諧波微混頻器(a)電路圖(b)die photo
圖3.9 10 GHz真正LO相位平衡並利用LO倍頻器之微混頻器(a)電路 圖(b)die photo
I. LO訊號平衡度對隔絕度的影響：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10
Isolations (dB)
RF or LO Frequency (GHz) RF-to-IF (passive balun) LO-to-IF (passive balun) LO-to-RF (passive balun)
Fully Balanced LO Signals
圖3.10 內建集總鼠徑分合波微混頻器隔絕度的量測結果 由上圖觀察到LO-to-RF與LO-to-IF的隔絕度在LO頻率為3.5GHz 時有最佳值，而內建的集總鼠徑分合波器屬於窄頻的分合波器，唯有 在分合波器的中心頻率才會有最平衡的LO訊號產生，因此，此實驗
結果與理論相符合。
在另外兩個次諧波混頻器中一樣可以對此理論做驗證，由於此兩 個電路操作的頻率不同，故分別採用2.4GHz與5GHz外接的鼠徑分合 波器來實測，除此之外，也使用安捷倫的儀器E5242A來產生差動的 LO訊號輸入電路中量測，此儀器包含可以調整差動訊號的振幅與相 位的功能，因此，藉由調整振幅與相位提供最平衡的LO訊號，在與 使用外接鼠徑分合波器量測結果做比較。而電路所量測的條件是根據 之前實驗室學長所發表的兩篇paper[8],[9]。
由下頁的圖3.11及圖3.12知道，使用外接的鼠徑分合波器來實測 時，在鼠徑分合波器的中心頻率會有LO-to-RF隔絕度最佳值產生，是 因為在此頻率LO訊號最為平衡，差動訊號的振幅大小愈接近相同，
相位差愈接近180˚，而由圖3.12中發現，使用外接的鼠徑分合波器與 Agilent E5242A量測，在LO頻率為5GHz時，所量測到的隔絕度相當 接近也相當好，主要是因為此外接的鼠徑分合波器在中心頻率5GHz 時的相位差約為181.4˚，S21與S31分別為-3.76dB與-3.8dB，故能量測 到相當好的LO-to-RF的隔絕度。而在圖3.11中發現，使用外接的鼠徑 分合波器與Agilent E5242A量測，在LO頻率為2.4GHz時，所量測到的 隔絕度有相當大的差距，主要是因為此外接的鼠徑分合波器在中心頻 率2.4GHz時的相位差約為184˚，S21與S31約為-3dB，不是真正平衡的 LO訊號，因此量測到的LO-to-RF隔絕度比起使用Agilent E5242A量測 到的值相差了約25dB。
但是，不論使用的鼠徑分合波器是否能真正的產生振幅大小相 同、相位差180˚的差動訊號，都能看出在分合波器的中心頻率都有最 佳的LO-to-RF隔絕度，反映出LO訊號平衡度愈好，LO-to-RF隔絕度
愈好的事實。
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30
-20 2.4GHz Rat-race Hybrid (LO Power=-9.5dBm) LO signals with phase and magnitude correction (LO Power=-9.5dBm)
LO-to-RF Isolations (dB)
LO Frequency (GHz)
Fully Balanced LO Signals
圖3.11 5.2 GHz stacked-LO次諧波微混頻器LO-to-RF隔絕度使用 2.4GHz rat-race與Agilent E5242A的量測結果
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
-80 -70 -60 -50 -40 -30
5GHz Rat-race Hybrid (LO Power=11dBm) LO signals with phase and magnitude correction (LO Power=11dBm)
LO-to-RF Isolations (dB)
LO Frequency (GHz)
Fully Balanced LO Signals
圖3.12 10 GHz真正LO相位平衡並利用LO倍頻器之微混頻器 LO-to-RF隔絕度使用5GHz rat-race與Agilent E5242A的量測結果
-6 -4
圖3.13 5.2 GHz stacked-LO次諧波微混頻器LO-to-RF隔絕度使用 Agilent E5242A的量測結果
LO-to-RF Isolation (dB)
Phase Imbalance (degree) Amplitu
de Im
balance (dB)
圖3.14 10 GHz真正LO相位平衡並利用LO倍頻器之微混頻器 LO-to-RF隔絕度使用Agilent E5242A的量測結果
上頁的圖3.13及圖3.14為使用Agilent E5242A的量測結果，可以將 從2fLO轉換成4fLO的頻率，因此，2LO-to-RF隔絕度大幅上升，是利用 電路架構來解決自我混頻的問題，但其缺點是額外增加了整體電路的
Conversion Gain (LO=2.6GHz)
Conversion Gain (dB)
LO Power (dBm)
2LO-to-RF Isolation (LO=2.4GHz)
Isolation (dB)
圖3.15 5.2 GHz stacked-LO次諧波微混頻器2LO-to-RF隔絕度與轉換 增益 vs. LO功率
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
LO-to-RF Isolation (LO=5GHz)
Isolation (dB)
第四章
結論
本論文利用 TSMC 0.18μm CMOS 與 TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS 之製程，實作與量測了應用於不同無線通訊系統的可調式增 益升頻器，實測結果與理論分析皆有一致性，可以在調變增益的同 時，還具有固定的 IF 頻寬。
TSMC 0.18μm CMOS：
完成了 RF 頻帶為 5.2GHz 的可調式增益升頻器，轉換增益可以 透過數位控制來選取，分別為-3, -6, -9,-12dB，線性地相差 3dB，提供 9dB 的增益控制範圍，RF 3dB 頻寬範圍為 4.7GHz~5.6GHz，IF 3dB 頻寬範圍為 20MHz~450MHz，遠大於 802.11a 的規格範圍，但是OP1dB 隨著增益的下降而下降，代表整體的增益飽和點被 IF 輸入端所限制。
完成了 RF 頻帶符合 Mode-1 MB-OFDM UWB 應用的可調式增益 升頻器，轉換增益可以透過數位控制來選取，線性地相差 2.5dB，提 供 7.5dB 的增益控制範圍，IF 3dB 頻寬範圍 10MHz~250MHz，而 UWB 對於 IF 頻寬的要求為 264MHz，稍嫌不足，且由於使用主動式電感 取代 LC 電流合成器中的被動電感，也造成整體電路的 headroom 不 足，使得OP1dB相對的低了許多，並且OP1dB也隨著增益的下降而下降，
代表整體的增益飽和點被 IF 輸入端所限制，電路的線性度不佳。
完成了 RF 頻帶為 2.4GHz 與 5.7GHz 的雙頻道可調式增益升頻 器，轉換增益可以透過數位控制來選取，在低頻道(2.4GHz)時，分別 為 3.1, -0.9, -5.4,-10.1dB，線性地相差約 4.5dB，提供 14dB 的增益控 制 範 圍 ， 絕 對 增 益 誤 差 小 於 ±0.5dB 內 ， RF 3dB 頻 寬 範 圍 為 2.15GHz~2.55GHz，IF 3dB 頻寬範圍為 10MHz~300MHz，且OP1dB在 不同增益時分別為-10.9, -10.3, -10.5, -11.5dBm；在高頻道(5.7GHz) 時，分別為-2.3, -6.3, -10.7,-15.4dB，線性地相差約 4.5dB，提供 14dB
的增益控制範圍，絕對增益誤差小於±0.5dB 內，RF 3dB 頻寬範圍為 4.95GHz~5.9GHz，IF 3dB 頻寬範圍為 10MHz~300MHz，且OP1dB在不 同增益時分別為-15.2, -15.2, -14.8, -16.6dBm。整體電路的OP1dB並無隨 著增益的下降而下降，代表整體的增益飽和點是被 RF 輸出端所限 制，而不是被 IF 輸入端所限制，對於電路整體的動態範圍有相當大 的助益。此電路可應用於 WLAN 系統中的 802.11a/b/g，為多頻道多 模態的可調式增益升頻器。
TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS：
完成了 RF 頻帶為 2.4GHz 與 6.2GHz 的雙頻道可調式增益升頻 器，轉換增益可以透過數位控制來選取，在低頻道(2.4GHz)時，分別 為-5, -10, -15,-20dB，線性地相差 5dB，提供 15dB 的增益控制範圍，
絕對增益誤差小於±0.5dB 內，RF 3dB 頻寬範圍為 2.2GHz~3GHz，IF 3dB 頻寬範圍為 10MHz~400MHz，且OP1dB在不同增益時分別為-12, -12, -12.4, -14dBm ； 在 高 頻 道 (6.2GHz) 時 ， 分 別 為 -3, -7.5, -12,-16.5dB，線性地相差 4.5dB，提供 14dB 的增益控制範圍，絕對增 益誤差小於±0.5dB 內，RF 3dB 頻寬範圍為 5.6GHz~7GHz，IF 3dB 頻 寬範圍為 10MHz~400MHz，且OP1dB在不同增益時分別為-9.5, -9, -11, -14dBm。整體電路的OP1dB並無隨著增益的下降而下降，代表整體的 增益飽和點是被 RF 輸出端所限制，而不是被 IF 輸入端所限制，對於 電路整體的動態範圍有相當大的助益。
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