N-Path receiver for Low-if architecture with reconfigurable bandwidth and intermediate frequency

Orientador: Prof. Dr. Luis Henrique Assumpção LolisCoorientador: Prof. Dr. André Augusto MarianoDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 08/04/2022Inclui referênciasResumo: Os dispositivos de comunicação sem fio estão cada vez mais presentes, e com o aumento no número desses dispositivos, o número de protocolos de frequência também aumenta. É desejado que os receptores de RF (radiofrequência) operem em todas estas frequências. Tecnologias como SDR (Rádio Definido por Software), cadeias de comunicação nas quais a maior parte dos componentes de comunicação é implementada em software, apresentam ampla reconfigurabilidade. Assim também é desejada uma ampla reconfigurabilidade do receptor RF, na sua frequência de operação e se possível também na largura de banda. Boa parte das arquiteturas reconfiguráveis mais recentes usam vários filtros BAW (Bulk Acoustic Wave) e SAW (Surface Acoustic Wave), filtros que apresentam boa linearidade e seletividade, mas não são reconfiguráveis. Assim, torna-se necessário o uso de vários filtros (cada um numa frequência central específica). Outra solução é a implementação de uma arquitetura de banda larga o suficiente para abranger todo o espectro de frequência desejado, mas isto traz interferências de frequências fora da banda. Para atender essa demanda, o trabalho atual faz uso de receptores mixer-1st baseados em filtros N-Path. Filtros N-Path apresentam a vantagem de apresentar reconfigurabilidade, bom fator de qualidade, boa seletividade, além de poder ser implementado em tecnologia CMOS (Complementary Metal-oxide-semiconductor) (diferentemente de filtros BAWe SAW). O dispositivo é conectado logo no começo da cadeia, sem a necessidade de um LNA (amplificador de baixo ruído) em RF. Esses filtros apresentam boa linearidade e figura de ruído competitiva. Entretanto filtros baseados em N-Path, em sua maioria, são implementado numa arquitetura de conversão direta. Essas arquiteturas apresentam diversas não idealidades como por exemplo offset DC, não linearidades de segunda-ordem e, especialmente, ruído 1/f. Como este bloco será o primeiro componente da cadeia, qualquer técnica que venha a melhorar a figura de ruído é válida. Este trabalho consiste em implementar uma arquitetura N-Path mixer-1st low-IF (frequência intermediária), minimizando assim as não idealidades das arquiteturas de conversão direta. A reconfigurabilidade da frequência central é intrínseca ao filtro N-Path, mas este trabalho também almeja reconfigurar a frequência intermediária e a largura de banda. A arquitetura alcança uma largura de banda de 1,25 MHz até 10 MHz, frequência de chaveamento entre 1 GHz e 2 GHz e frequência intermediária entre 1,25 MHz e 10 MHz. Neste trabalho são deduzidas equações que auxiliam na escolha dos componentes para cada uma das frequências intermediárias e larguras de banda. Simulações de impedância de entrada e ganho de tensão são usadas para validar das equações para cada um dos modos de operação.Abstract: Wireless communication devices become more present each day, and with the increasing number of those devices, the number of frequency protocols also increases. It is desired that RF (radio frequency) receivers operate in all frequency protocols. Technologies such as SDR (Software Defined Radio), communication chains in which a significant portion of the components is implemented in software, present wide reconfigurability. Thus, it is also wanted wide reconfigurability in the RF receiver, its operating frequency, and, if possible, bandwidth. A significant portion of the current reconfigurable architectures use multiple BAW (Bulk Acoustic Wave) and SAW (Surface Acoustic Wave) filters. Those filters present good linearity and good selectivity but are not reconfigurable. Thus, it becomes necessary the usage of multiple filters (each in a specific central frequency). Another solution is the implementation of architecture with a bandwidth wide enough to include all the desired frequency spectrum, but this brings out-of-band interferences to the architecture. To meet this demand, this work uses a mixer-1st receiver based on N-Path filters. N-Path filters present as advantage reconfigurability, good quality factor, and good selectivity. In addition, it can be implemented in CMOS (Complementary Metal-oxide-semiconductor) technology (different from BAW and SAW filters). The device is connected as the first block of the chain without an LNA (low-noise amplifier) in RF. Those filters present good linearity and competitive noise figure. However, N-Path-based filters are primarily implemented in a zero-IF (intermediate frequency) architecture. Those architectures present multiple nonidealities, such as DC offset, second-order nonlinearities, and especially 1/f noise. Since this is the first chain component, any technique that improves the noise figure is valid. This work consists in implementing a low-IF N-Path mixer-1st architecture, reducing the non-idealities of the zero-IF architecture. The central frequency reconfigurability is inherent to the N-Path filter, but this work also aims to reconfigure the intermediate frequency and the bandwidth. As a result, the architecture achieves a bandwidth from 1.25 MHz to 10 MHz, switching frequency between 1 GHz and 2 GHz, and intermediate frequency between 1.25 MHz and 10 MHz. In this work, equations are obtained that help choose the components for each intermediate frequency and bandwidth. Input impedance simulations and voltage gain simulations are used to validate the equations for each operation mode