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A new circuit is proposed that uses an RC-CR filter in a feedback configuration to achieve a wideband precision quadrature phase shift with constant amplitude response. Such a circuit can be used to perform image rejection in a low IF receiver using the Hartley method. Simulation results show that the circuit can achieve an average image rejection ratio of 50 dB over a 16 MHz bandwidth. The feedback loop enables the circuit to maintain high accuracy over process and temperature.

Advances in wireless technology have recently led to the potential for higher data rates and greater functionality. Wireless home and business networks and 3G and 4G cellular phone systems are promising technologies striving for market acceptance, requiring low-cost, low-power, and compact solutions. One approach to meet these demands is system-on-a-chip (SoC) integration, where RF/analog and digital circuitry reside on the same chip, creating a mixed-signal environment. Concurrently, there is tremendous incentive to utilize Si-based technologies to leverage existing fabrication and design infrastructure and the corresponding economies of scale. While the SoC approach is attractive, it presents major challenges for circuit designers, particularly in the design of monolithic voltage controlled oscillators (VCOs). VCOs are important components in the up or downconversion of RF signals in wireless transceivers. VCOs must have very low phase noise and spurious emissions, and be extremely power efficient to meet system requirements. To meet these specifications, VCOs require high-quality factor (Q) tank circuits and reduction of noise from active devices; however, the lack of high-quality monolithic inductors, along with low noise transistors in traditional Si technologies, has been a limiting factor. This thesis presents the design, characterization, and comparison of three monolithic 3-4 GHz VCOs and an integrated 5-6 GHz VCO with tunable polyphase outputs. Each VCO is designed around a differential -G_{M} core with an LC tank circuit. The circuits exploit two Si-based device technologies: Silicon Germanium (SiGe) Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) for a cross-coupled collectors circuit and Graded-Channel MOS (GC-MOS) transistors for a complementary (CMOS) implementation. The circuits were fabricated using the Motorola 0.4 μm CDR1 SiGe BiCMOS process, which consists of four interconnected metal layers and a thick copper (10 μm) metal bump layer for improved inductive components. The VCO implementations are targeted to meet the stringent phase noise specifications for the GSM/EGSM 3G cellular standard. The specifications state that the VCO output cannot exceed -162 dBc/Hz sideband noise at 20 MHz offset from the carrier. Simultaneously, oscillators must be designed to address other system level effects, such as feed-through of the local oscillator (LO). LO feed-through directly results in self-mixing in direct conversion receivers, which gives rise to unwanted corrupting DC offsets. Therefore, a system-level strategy is employed to avoid such issues. For example, multiplying the oscillator frequency by two or four times can help avoid self-mixing during downconversion by moving the LO out of the bandwidth of the RF front-end. Meanwhile, direct conversion or low-IF (intermediate frequency) receiver architectures utilize in-phase and quadrature (I/Q) downconversion signal recovery and image rejection. Any imbalance between the I and Q channels can result in an increase in bit-error-rate (BER) and/or decrease in the image rejection ratio (IRR). To compensate for such an imbalance, an integrated tunable polyphase filter is implemented with a VCO. Control voltages between the differential I and Q channels can be individually controlled to help compensate for I/Q mismatches. This thesis includes an introduction to design flow and layout strategies for oscillator implementations. A detailed comparison of the advantages and disadvantages of the SiGe HBTs and GC-MOS device in 3-4 GHz VCOs is presented. In addition, an overview of full-wave electromagnetic characterization of differential dual inductors is given. The oscillators are characterized for tuning range, output power, and phase noise. Finally, new measurement techniques for the 5-6 GHz VCO with a tunable polyphase filter are explored. A comparison between the time and frequency approaches is also offered. / Master of Science

Le travail présenté ici s'inscrit dans la perspective du développement de modules électroniques à très faible coût et à très faible consommation pour les réseaux de capteurs sans fils (WSN). Il traite de la conception et du test d'une chaîne de réception RF compatible avec la norme IEEE 802.15.4 pour la bande ISM 2.4GHz. L'interface RF objet de notre étude inclue toutes les fonctions depuis l'antenne jusqu'au 1er étage du filtre analogique en bande de base, à partir duquel le gain devient suffisant pour masquer le bruit introduit par le reste de la chaîne de réception. Ce mémoire articulé autour de quatre chapitres, décrit toutes les étapes depuis la définition des spécifications de la chaîne de réception jusqu'à la présentation de ses performances, en passant par l'étude de son architecture et la conception de ses différents étages. Suite à l'étude de l'impact des interféreurs IEEE 802.15.4 et IEEE 802.11b présents dans la bande ISM 2.4GHz, une architecture utilisant une fréquence intermédiaire de 6MHz a été retenue. En outre, pour pouvoir répondre aux spécifications fixées, cette architecture est composée de plusieurs étages innovants ou originaux tels qu'un balun intégré trois accès, un amplificateur faible bruit sans inductance, un mélangeur passif piloté par un signal local (OL) à très faible rapport cyclique ainsi qu'un filtre bande de base optimisé en bruit et en linéarité. Intégré dans une technologie CMOS 90nm, ce récepteur occupe une surface de 0.07mm², ou 0.23mm² en incluant le balun intégré, qui représente une réduction de 70% par rapport à l'état de l'art des puces compatibles avec le standard IEEE 802.15.4. En prenant en compte la consommation dynamique de toute la chaîne de mise en forme du signal OL, la tête de réception précédemment décrite consomme seulement 4mA sous une tension d'alimentation de 1.35V. Enfin, en incluant le balun intégré, le gain est de 35dBv/dBm, le facteur de bruit de 7.5dB, l'IIP3 de -10dBm et la réjection d'image supérie ure à 32dB. Ces performances placent ce récepteur parmi les récepteurs RF les plus performants pour cette application. Les nombreux principes mis en Suvre sont par ailleurs transposables à d'autres bandes de fréquences et à d'autres standards de communication.