PERANCANGAN MIXER UP-CONVERSION CMOS UNTUK RANGKAIAN RF TERINTEGRASI

Transkripsi

1 JETri, Volume 8, Nomor 1, Agustus 2008, Halaman 1-16, ISSN PERANCANGAN MIXER UP-CONVERSION CMOS UNTUK RANGKAIAN RF TERINTEGRASI Cecilia Susilawati Dosen Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti Abstract The design, analysis and implementation of a high frequency 1-3GHz tunable pure NMOS Quadrature Up-Conversion mixer topology are presented. The mixer is implemented in a deep submicron 0,25 µm CMOS process technology. Utilizing an off-chip tunable inductor achieves tunable range of frequency. Various passive components had been incorporated in its circuitry to increase the linearity of the topology. The mixer, which is a configuration of a balanced modulator, is composed from a Parallel Structure Low Voltage Multiplier topology, a High Gain Phase Shifting network and a Differential Cascade amplification stage at the output. Various topology of four quadrant multiplier, biased in different region of operation has been simulated and analyzed. The utilized topology requires fewer amount of stacked transistors, thus reducing the voltage headroom requirement of the circuitry. The proposed high gain phase shifter relaxes the requirement of cascading several stages of limiting amplifier at the output. Operating from a power supply of 2.0V, it consumes 150mW of power, with an OIP3 of 0dBm and 1dB compression level of 4.6dB. Keywords: Balanced Modulator, CMOS analog integrated circuit, Mixers, Phase shifters, RFIC 1. Pendahuluan Pengirim dan penerima wireless dapat dipisahkan secara konseptual menjadi dua bagian yaitu bagian baseband dan bagian radio frekuensi (RF). Bagian RF dari pengirim mengubah sinyal yang telah diproses ke kanal yang diinginkan dan melepaskan sinyal ke media (Razavi, 1998: 5). Umumnya rangkaian RF CMOS dirancang menggunakan sirkuit yang sama dengan bagian bipolarnya, sehingga dibutuhkan disipasi daya yang tinggi. Mixer up conversion digunakan pada pengirim dari transceiver, mengubah sinyal input menjadi komponen dengan frekuensi lebih tinggi agar transmisi lebih dapat diandalkan. Hal ini juga meningkatkan waktu hidup per berat dari batere yang digunakan. Pengecilan ukuran transistor CMOS juga akan meningkatkan kecepatan sirkuit dan kepadatannya (Hastings, 2001: 10). Perancangan dari mixer up conversion pada teknologi CMOS standar akan dibahas dan simulasi menggunakan program P-Spice.

2 2. Implementasi Rangkaian 2.1. Perancangan Multiplier tegangan rendah Untuk mengurangi konsumsi daya pada sistem komunikasi, tegangan rendah sangat cocok digunakan untuk merancang IC RF namun terdapat komponen pasif yang butuh lebih banyak daya. Tegangan rendah diberikan dengan mengurangi jumlah dari transistor, yang akan mengurangi sumber tegangan dc (V dd >V T ) untuk setiap pasangan transistor, sehingga sirkuit turun hingga skala teknologi submikron. Dengan tegangan V T 0,72 V, telah direalisasikan pada teknologi proses CMOS TSMC 0,25μm. Rangkaian paralel dari pengali (multiplier) 4 kuadran CMOS digunakan sebagai inti dari mixer, prinsip operasinya diberikan pada Gambar 1. Gambar 1. Pengali Analog dengan menggunakan 6 buat penggabung. Pada Gambar 1., ke 6 blok (com 1 com 6 ) disebut penggabung (combiner) sinyal masukkan untuk menciptakan keluaran. Persamaan output-nya dapat dinyatakan: Z i = A 1 X i 2 + A 2 Y i 2 + A 3 X i + A 4 Y i + A 5, (i = 1-4) (1) Z i = B 1 X i 2 + B 2 Y i 2 + B 3 X i + B 4 Y i + B 5, (i = 5,6) (2) dimana A 1, A 2, A 3, A 4, A 5, B 1, B 2, B 3, B 4, dan B 5 adalah konstanta. 2

3 Persamaan (1) dan (2) berbeda dimensi transistor W/L pada penggabung keluaran (Com 5-6 ) dan masukkan (Com 1-4 ). Keluaran dari Com 5 dan Com 6 juga berbeda. Masukkan dari X 1 dan X 3 dinyatakan sebagai V 1 +v 1 dan masukkan dan X 2 dan X 4 dinyatakan sebagai V 1 -v 1. Hal ini dikarenakan tegangan dc common mode adalah V 1 dan dipengaruhi oleh tegangan sinyal masukkan +v 1, dimana Y 2 dan Y 3 ditulis sebagai V 1 - v 2 dan Y 1 dan Y 4 sebagai V 1 + v 2. Keluaraannya adalah V out = Z 5 - Z 6. V out = 8B 1 (2A 1 V 1 + A 3 )(1A 2 V 1 + A 4 )v 1 v 2 = K'v 1 v 2 (3) Dengan mengasumsikan B 1 = B 2 dan B 3 = B 4, apabila ada perbedaan koefisien akan mengakibatkan timbul sinyal yang tidak diinginkan pada bagian keluaran, sehingga respon non linear pada rangkaian. Distorsi seperti nilai dc offset, frekuensi kapasitor yang tinggi, dan interferensi pada kanal mempengaruhi sinyal. Dari persamaan (3) keluaran merupakan perkalian linear antara v 1 v 2 dan konstanta K. Realisasi rangkaian pada Gambar 1. diberikan pada Gambar 2., keluaran yang timbul: V out = 4v 1 v 2 B(2AV 1 + A')(4AV 1 + A') = K'v 1 v 2 (4) Dimana: B = -R s K, A = -R L K, A = 2R L KV T K = parameter transkonduktansi dari transistor V DD R L1 +v R S1 0 R S2 -v 0 R L4 V L1 M c2 M c3 R L2 V L2 V L3 R L3 V L4 M c1 M c4 M a2 M b2 M a2 M b2 M a2 M b2 M a2 M b2 v 1+ v L v 1+ v BB v 1 -v L v 1 -v BB v 1+ v L v 1 -v BB v 1 -v L v 1+ v BB Gambar 2. Pengali 4 kuadran 3

4 Sehingga fungsi perkalian dapat direalisasikan. Dari persamaan (4), v 1 = v L merupakan sinyal pembawa masukkan, didapat dari osilator yang dikendalikan oleh tegangan eksternal (VCO), v 2 =v BB yang merupakan sinyal masukkan. Walaupun K terbalik dari V GS V T untuk model transistor orde 2, hal ini diasumsikan konstan untuk perhitungan dan variasi yang timbul karena hal ini dianggap tiada Penggeser Phasa dan Perancangan Penguat cascade Penggeser Phasa Perancangan dari penggeser phasa sangat penting dalam mixer, karena untuk menekan komponen sideband yang tidak diinginkan. Penggeser phasa 90 o tambahan yang terdiri dari rangkaian jembatan CR- RC, Gambar 3a, memiliki akurasi phasa yang baik tetapi memiliki kesalahan amplitudo yang besar. Rangkaian jembatan diikuti oleh beberapa bagian dari penguat untuk mengatasi kesalahan amplitudo tersebut. Rangkain penggeser phasa 90 o dengan penguatan besar ditunjukkan Gambar 3b. rangkaian ini terdiri dari induktor yang dapat diubah (L P3 dan L P4 ) untuk mengatur amplitudo dari gelombang keluaran sehingga bagian bagian selanjutnya tidak saturasi. Masukkan akan melalui resistor (R S3 dan R S4 ) untuk meningkatkan kelinearan sistem. Rangkaian ini memiliki toleransi kesalahan phasa sebesar 0,1% dan kapasitor penghalang dc tidak dibutuhkan karena potensial keluarannya adalah V pp, dimana V pp diset pada nilai dc yang konstan. V pp juga mengakibatkan bias masukkan dc, V pp <V dd. (a) (b) Gambar 3.a. Rangkaian Penggeser Phasa RC-CR konvensional, b. Rangkain Penggeser Phasa dengan penguatan tinggi. 4

5 Perancangan Penguat cascade Gambar 4. menunjukkan diagram sederhana dari penguat cascade (Razavi, 2001: 25). (a) (b) (c) Gambar 4.a. Penguat Cascade, b.model Frekuensi Tinggi untuk Penguat Cascade, c.rangkaian Ekuivalen Sinyal Rendah Orde 2 5

6 Transistor M 2 memisahkan terminal masukkan dan keluaran dan mencegah penguatan miller dari kapasitor antara Gate dan Drain dari M 1. Integrasi dari penguatan cascade frekuensi tinggi ini meningkatkan sensitifitas dari bentuk gelombang keluaran. Pada Gambar 4., transistor M 2 akan meningkatkan impedansi keluaran M 1 dengan (g m2 + g mb2 )r o2. Hambatan keluarannya menjadi: R out (g m2 + g mb2 ) r o2 r o1 (5) Sehingga penguatan tegangan keluaran juga meningkat. Penguatannya diberikan oleh persamaan (6). A s ( gm2 gmb2) ro 2gm1ro 1 (6) g m1 1 srs CGS1 1 CGD11 srd ( CDB2 CL CGD2) gm2 g mb2 Karena 1/g m2 <<r d pada Gambar 4.(c)., terlihat antara drain dari M 1 dan ground dari hambatan total kurang lebih 1/g m2. C GS2 and 1/g m2 menghasilkan fungsi alih dengan frekuensi: 1 2 T 1 CGS g 2 m2 (7) dimana lebih tinggi daripada frekuensi yang timbul karena adanya interaksi dari R s dan kapasitor masukkan C GS1. Dalam penghitungan tegangan pada drain M 1, C GS2 dapat ditiadakan. V d1 -g m1 V gs1 1 g m 2 -V gs1 (8) Persamaan (8) didapat dengan mengasumsikan kedua transistor M 1 dan M 2 sama dalam hal dimensi dan parameternya (g m1 g m2 ) dan penguatan antara g 1 dan d 1 kurang lebih -1 dan didapat mengaplikasikan teorema Miller untuk mengganti kapasitor jembatan C GD1 dengan kapasitor 2C GD1 antara d 1 dan ground. Efek dari kapasitor Miller ini terjadi pada operasi frekuensi tinggi, bila transistor M 1 dan M 2 sama dalam nilai parameternya. 6

7 A s A1 A2 K( gm2 gmb2) ro 2gm1ro 1 (9) g m1 sc{1 srs CGS1 1 CGD11 srd ( CDB2 CL CGD2) } gm2 g mb Linear Up Conversion Mixer Gambar 5. menunjukkan blok diagram dari modulator penyeimbang untuk operasi up conversion mixer. sin ω BB t sin ω LO t sin (ω LO + ω BB )t Gambar 5. Diagram Blok Up Conversion Mixer Keluaran dari up conversion mixer dirasakan berbeda untuk menekan distorsi. Tegangan masukkan dikopling melalui kapasitor untuk menjadi masukkan dari penguat cascade untuk menghindari kopling dc. Setiap bagian dari transistor mewakili penggabung, disusun secara seimbang untuk menghindari distorsi karena ketidakcocokan dari transistor. Hambatan pasif diberikan utnk meningkatkan kelinearan rangkaian. Penguatan dari rangkaian up converter diberikan pada Persamaan (7) dimana A 1 dan A 2 adalah amplitudo pembawa dan sinyal baseband dan C = C F1 = C F2 = C F3 = C F4, yang merupakan kapasitor kopling pada Gambar 6. Analisa performa dari mixer ini diukur melalui IIP 3 (intercept point orde 3), IIP 2 (Intercept point orde 2), kehilangan akibat konversi dan feedthrough suppression. Tidak mudah untuk menilai kualitas dari suatu perangcangan. Suatu parameter E dapat didefinisikan: IIP3( dbm) LO ( dbm) E = 10 power (10) Sudah merupakan aturan bahwa IIP3 dai perancangan mixer yang baik bernilai 10dB diatas daya pembawa, yang membuat nilai E = 1. Nilai E tersebut menentukan performa dari mixer. Gambar 6. adalah Rangkaian perancangan Up Conversion Mixer tanpa rangkaian penggeser phasa. 7

8 Gambar 6. Rangkaian Up Conversion Mixer Cecilia Susilawati. Perancangan Mixer Up-Conversion CMOS Untuk Rangkaian RF Terintegrasi 8

9 3. Hasil simulasi Gambar 7.(a). menunjukkan keluaran dari pengali antara tegangan analog 4 kuadran pada 20 MHz dengan frekuensi baseband dan frekuensi osilator 1 GHz. Gambar 7.(b). menunjukkan koefisien puncak transformasi Fourier pada frekuensi sideband bawah dan sideband atas, yang ada pada 0,98 GHz dan 1,02 GHz. Simulasi menggunakan tegangan supply 1,2 V dc dan disipasi daya 28,85 mw. Tegangan keluaran adalah 2 mv pp. Tegangan Tegangan db (a) Waktu (b) Frekuensi Gambar 7.(a). Bentuk Gelombang double sideband suppressed carrier pada sinyal baseband 20MHz, (b). Respon Transformasi Fourier Pada Gambar 7.(b) sinyal keluaran memiliki puncak yang mengakibatkan operasi ada pada mode linear. 9

10 10

11 Gambar 8.(a). Respon masukkan dan keluaran dari rangkaian penggeser phasa RC-CR, (b). Respon Penggeser Phasa pada 40 MHz, (c). Respon Penggeser Phasa pada 1 GHz. Gambar 8. merupakan respon masukan dan keluaran dari rangkaian penggeser phasa RC-CR, dimana penambahan rangkaian penggeser phasa RC-CR, mengakibatkan akurasi phasa yang lebih baik tetapi memiliki kesalahan amplitudo. Penguatan cascade pada rangkaian penggeser phasa agar memiliki akurasi amplitudo yang baik. Kesalahan phasa pada rangkaian mendekati 0,1% yang dapat ditiadakan. Penggeser phasa RC CR memiliki 90% kesalahan amplitudo, yang memerlukan beberapa bagian penguatan lagi untuk mengembalikan sinyal ke kondisi awal. Gambar 9. menunjukkan respon penguatan dan analisa noise masukkan dan keluaran pada penguat cascade. Penguatan -3 db pada penguat cascade adalah 8,9 db dengan bandwidth 3,8GHz. Noise keluaran adalah -163 db dan noise keluaran adalah -175 db pada 1 GHz dari frekuensi pembawa. Nilai dari disipasi daya adalah mw, dengan sumber tegangan 2 Vdc. 11

12 Gambar 9.(a). Respon Penguatan dari Penguat cascade, (b). Respon Noise masukkan dan keluaran dari Penguat cascade Gambar 10. menunjukkan karakteristik keluaran dari up conversion mixer pada 40 MHz baseband frekuensi dan 1 GHz pada frekuensi pembawa. Rangkaian ini direalisasikan dengan sumber tegangan 2 V dc dan disipasi daya 150 mw. Noise keluaran adalah 7,25x10-16 V/Rt-Hz 12

13 Gambar 10.(a). menunjukkan respon transien keluaran pada pengali analog empat kuadran, respon kedua sideband juga ditunjukkan. Gambar 10.(b). menunjukkan respon transien masukkan dan keluaran dari penguat cascade, yang merupakan bagian sideband atas. Gambar 10.(c). menunjukkan koefisien transformasi fourier pada keluaran. Gambar 10.(a). Respon Double Sideband Suppressed Carrier dengan penggeseran phasa 90 o dan tidak digeser. (b). Respon transien masukkan dan keluaran pada penguat cascade, (c). Koefisien dari transformasi fourier dari keluaran, puncak pada 1.04 GHz 13

14 Karakteristik perancangan mixer seperti Gambar 11. menunjukkan koefisien transformasi Fourier dari mixer pada baseband dan frekuensi pembawa yang berbeda beda. Gambar 11. dapat ketahui respon frekuensi baseband 100 MHz dan frekuensi pembawa 1 GHz, frekuensi baseband 500 MHz dan frekuensi pembawa 1 GHz, frekuensi baseband 100 MHz dan frekuensi pembawa 2 GHz, frekuensi baseband 100 MHz dan frekuensi pembawa 3 GHz. Gambar 11. Respon Transformasi Fourier dengan (a). Baseband 100MHz, pembawa 1GHz, (b). Baseband 500MHz, pembawa 1GHz, (c). Baseband 100MHz, pembawa 2GHz, c. Baseband 100MHz, pembawa 3GHz Ukuran performa dari mixer diukur dari loss pada saat konversi dan nilai IIP 3. Kehilangan pada saat konversi menunjukkan efisiensi dari mixer dan nilai IIP 3 menunjukkan kelinearan dari mixer. Gambar 12. menunjukkan plot dari loss pada saat konversi terhadap perubahan baseband dan level sinyal pembawa pada mixer yang beroperasi pada daerah linear. 14

15 Gambar 12. Plot loss pada saat konversi terhadap perubahan baseband dan level sinyal pembawa Gambar 13 menunjukkan plot loss saat konversi terhadap perubahan level sinyal baseband. Gambar 13. Plot loss saat konversi terhadap perubahan level sinyal baseband masukkan 15

16 Table 1. menunjukkan parameter performa dari mixer yang dirancang. Parameter Sumber Tegangan Disipasi daya Frekuensi Baseband Frekuensi Pembawa Daya Pembawa Suppresi Sideband bawah Feedthrough pembawa Hasil 2,0V dc 150mW 40MHz 1GHz -50dBm -24,2dB -33,2dB Output OIP 3 0dBm Faktor E 5,0 1dB Konversi Level 4,6dB 4. Kesimpulan Up conversion mixer dengan range frekuensi yang dapat diubah ubah dirancang dengan menggunakan metode pergeseran phasa. Penggeser phasa dengan kesalahan phasa yang dapat ditiadakan dengan penguat cascade frekuensi tinggi telah dirancang dan disimulasikan. Daftar Pustaka 1. Hastings, A The Art Of Analog Layout. United States: Prentice Hall. 2. Razavi, B RF Microelectronic. London: Prentice Hall. 3. Razavi, B Design od Analog CMOS Integrated circuit. New York: McGraw Hill. 16