IQ Modulator in 90nm CMOS for GSM_EDGE_WCDMA_LTE

kevinwjs

1 Introduction 1
1.1 Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Simulation environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.5 Document outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Theory 5
2.1 Analog modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Amplitude modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Frequency modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 Phase modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 IQ data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 IQ modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Digital modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.1 PSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4.2 GMSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4.3 QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 PAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 Wireless communication standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6.1 GSM (2G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6.2 GPRS (2.5G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6.3 EDGE (2.75G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6.4 WCDMA (3G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6.5 HSPA (3.5G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6.6 LTE (4G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6.7 Technical comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7 Transmitter efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.8 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.8.1 Thermal noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.8.2 Flicker noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.8.3 MOSFET noise model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.9 Non-linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.9.1 IM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
xii Contents
2.10 Predistortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.11 SAW-filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Reference IQM 23
3.1 Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.4 RC filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Simulations and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 Testbench setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.2 Power consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.4 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4 Current Mode Envelope Tracking IQM 37
4.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 RC filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Simulations and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.1 Testbench setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.2 Power consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.3 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.4 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 Direct Voltage IQM 55
5.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.1 Output stage noise analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.2 Mixer dimensioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3 Simulations and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.1 Testbench setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.2 Power consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.3 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.4 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.5 Non-overlapping clock signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.6 Simulating with 4PGFD clocking circuit . . . . . . . . . . . 66
5.3.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6 Predistorted Direct Voltage IQM 69
6.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3 Simulations and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3.1 Testbench setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3.2 Power consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Contents xiii
6.3.3 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.4 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.5 Simulating with 4PGFD clocking circuit . . . . . . . . . . . 75
7 Conclusions 77
7.1 Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.1.1 Envelope Tracking IQM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.1.2 Direct Voltage IQM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.2 Final words . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

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