Future wireless communication devices must support multiple standards and features on a single-chip. The trend towards software-defined radio requires flexible and efficient RF building blocks which justifies the adoption of broadband receiver front-ends in modern and future communication systems. The broadband receiver front-end significantly reduces cost, area, pins, and power, and can process several signal channels simultaneously. This research is mainly focused on the analysis and realization of the broadband receiver architecture and its various building blocks (LNA, Active Balun-LNA, Mixer, and trans-impedance amplifier) for multi-standard applications. In the design of the mobile DTV tuner, a direct-conversion receiver architecture is adopted achieving low power, low cost, and high dynamic-range for DVB-H standard. The tuner integrates a single-ended RF variable gain amplifier (RFVGA), a current-mode passive mixer, and a combination of continuous and discrete-time baseband filter with built-in anti-aliasing. The proposed RFVGA achieves high dynamic-range and gain-insensitive input impedance matching performance. The current-mode passive mixer achieves high gain, low noise, and high linearity with low power supplies. A wideband common-gate LNA is presented that overcomes the fundamental trade-off between power and noise match without compromising its stability. The proposed architecture can achieve the minimum noise figure over the previously reported feedback amplifiers in common-gate configuration. The proposed architecture achieves broadband impedance matching, low noise, large gain, enhanced linearity, and wide bandwidth concurrently by employing an efficient and reliable dual negative-feedback. For the wideband Inductorless Balun-LNA, active single-to-differential architecture has been proposed without using any passive inductor on-chip which occupies a lot of silicon area. The proposed Balun-LNA features lower power, wider bandwidth, and better gain and phase balance than previously reported architectures of the same kind. A surface acoustic wave (SAW)-less direct conversion receiver targeted for multistandard applications is proposed and fabricated with TSMC 0.13?m complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The target is to design a wideband SAW-less direct coversion receiver with a single low noise transconductor and current-mode passive mixer with trans-impedance amplifier utilizing feed-forward compensation. The innovations in the circuit and architecture improves the receiver dynamic range enabling highly linear direct-conversion CMOS front-end for a multi-standard receiver.

In der vorliegenden Arbeit wird der Entwurf von Funkempfängern für digitale Modulation betrachtet. Dabei liegt der Schwerpunkt der Betrachtungen beim Finden einer geeigneten Empfängerarchitektur, der Spezifikation der einzusetzenden Bausteine, der Auswahl einer geeigneten Arbeitsfrequenz und eines passenden Modulationsverfahrens sowie der Festlegung einer dem Einsatzzweck angepaßten Datenrate. Ein wesentlicher Punkt ist die der Empfangsaufgabe angepaßte gewichtete Bekämpfung der auftretenden Störbeiträge. Dafür werden zunächst Grundlagen, wie wichtige Modulationsverfahren, Empfängerarchitekturen sowie Bestimmungsgleichungen für Parameter eingeführt. Darauf aufbauend wird eine allgemeingültige Methode zum Entwurf von Funkempfängern für digitale Modulation entwickelt. Diese Methode kann stets angewendet werden, wenn ein Empfänger für digitale Modulation entworfen werden soll. Wesentliche zu berücksichtigende Einsatzparameter und Randbedingungen werden an passender Stelle in den Entwurf einbezogen und eine entsprechend angepaßte Lösung wird weiterverwendet. Die Entwurfsmethode eignet sich sowohl für den freien Empfängerentwurf als auch für Entwürfe, die sich an der Einhaltung von Standards orientieren müssen. Der Kerngedanke besteht darin, das alle Störeinflüsse einen gleichgroßen Beitrag zur Signalverfälschung liefern sollen. Um dies zu erreichen, werden potentielle Störeinflüsse analysiert und entsprechend ihres Einflusses gewichtet zur weiteren Bestimmung der notwendigen Eigenschaften der Empfängerbaugruppen herangezogen. In der vorliegenden Arbeit wird hauptsächlich der allgemeine Anwendungsfall des freien nicht standardbezogenen Empfängerentwurfes betrachtet. Es wird aufgezeigt, wie durch die Analyse und entsprechende Berücksichtigung einer variablen Anzahl von Störeinflüssen die Eigenschaften der einzelnen Empfängerkomponenten jeweils bestmöglich eingestellt werden können. Diese Methode wird anschließend anhand von verschiedenartigen Beispielen weiter illustriert und ihre erfolgreiche Anwendbarkeit veranschaulicht. Anhand einer Mischerschaltung wird beispielhaft auf grundlegende Ansätze zur Verbesserung der Linearitätseigenschaften eingegangen. Dabei werden spezifische Unterschiede zwischen einer Superhet- bzw. einer Direktmischarchitektur hervorgehoben. Weiterhin wird eine Methode zur Wiederverwendung (Re-Use) von analogen Schaltungen oder ähnlichen Objekten vorgeschlagen. Dabei werden die Schaltungen anhand einer Vorgabe bewertet, und es wird eine Rangfolge aufgestellt. Damit ist gewährleistet, daß die der Vorgabe am besten entsprechende Schaltung gefunden werden kann, auch wenn eine 100%ige Übereinstimmung nicht gegeben ist. Die hierfür notwendigen Bewertungsalgorithmen werden ausführlich dargestellt und ihr jeweiliger Einsatz wird erläutert. Abschließend erfolgt eine überblicksweise Darstellung von Simulationswerkzeugen und -verfahren, die für den Empfängerentwurf bedeutsam sind. Dabei wird hauptsächlich auf die Verbindung von System- und Schaltungsentwurf eingegangen, und es werden bestehende Probleme dargelegt sowie vorhandene Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt. Einige im Zusammenhang mit der Simulation interessante Modellierungsgesichtspunkte werden ebenfalls dargestellt.

Τα παραγόμενα πρωτογενή ηλεκτρόνια εντός του φωτοαγώγιμου υλικού ενός μαστογραφικού ανιχνευτή ενεργού μήτρας άμεσης μετατροπής κατά την ακτινοβόληση, αποτελούν το πρωτογενές σήμα το οποίο προχωρώντας σχηματίζει το τελικό σήμα (εικόνα). Έτσι, η ποιότητα της μαστογραφικής εικόνας εξαρτάται άμεσα από τα χαρακτηριστικά των πρωτογενών ηλεκτρονίων. Ερευνώνται οι διαδικασίες σχηματισμού του πρωτογενούς σήματος και τα χαρακτηριστικά των πρωτογενών ηλεκτρονίων σε κατάλληλα φωτοαγώγιμα υλικά, όπως τα a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, CdTe, CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te, ZnTe, PbO, TlBr, PbI2 και HgI2, με την ανάπτυξη μοντέλου προσομοίωσης με τεχνικές Monte Carlo της παραγωγής των πρωτογενών ηλεκτρονίων για διάφορα φάσματα ακτίνων Χ στο μαστογραφικό εύρος ενεργειών. Το μοντέλο προσομοιώνει την αλληλεπίδραση φωτονίων-ύλης και την ατομική αποδιέγερση. Επιπρόσθετα, ειδικότερα για το a-Se, πραγματοποιείται μία προκαταρτική μελέτη της συσχέτισης των χαρακτηριστικών αρχικού και τελικού σήματος, με επίλυση των εξισώσεων του Νεύτωνα για την ολίσθηση των πρωτογενών ηλεκτρονίων στο κενό υπό την επίδραση ενός απλού ηλεκτρικού πεδίου. Για το ίδιο υλικό, αναπτύσσεται αφενός μεν αλγόριθμος υπολογισμού της κατανομής του ηλεκτρικού δυναμικού εντός του ανιχνευτή με χρήση υπάρχουσας αναλυτικής λύσης αφετέρου δε ένα πρωταρχικό μοντέλο Monte Carlo για τις ηλεκτρονιακές αλληλεπιδράσεις. Τα σημαντικότερα ευρήματα είναι: (i) το ποσοστό των πρωτογενών ηλεκτρονίων που εκπέμπονται εμπρόσθια είναι περίπου 60 % με την πιθανότερη πολική γωνία εκπομπής μεταξύ 50ο και 70ο, (ii) τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται σε δύο λοβούς γύρω από τις αζιμουθιακές γωνίες φ=0 και π, (iii) περίπου το 80 % των πρωτογενών ηλεκτρονίων παράγεται στο σημείο πρόσπτωσης των ακτίνων Χ ενώ η πλειονότητά τους παράγεται εντός των πρώτων 300 μm από την επιφάνεια του ανιχνευτή, (iv) οι χωρικές κατανομές των ηλεκτρονίων στα a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, PbO και TlBr είναι σχεδόν ανεξάρτητες του μαστογραφικού φάσματος ενώ στα υπόλοιπα υλικά παρουσιάζουν φασματική εξάρτηση, (v) για το πρακτικό μαστογραφικό εύρος (15-40 keV) και στο πρωταρχικό στάδιο της δημιουργίας του σήματος τα a-Se, a-As2Se3 και Ge έχουν την ελάχιστη αζιμουθιακή ομοιομορφία κατά την εκπομπή των ηλεκτρονίων ενώ τα CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te και CdTe τη μέγιστη, το a-Se παρουσιάζει την καλύτερη ενδογενή χωρική διακριτική ικανότητα αλλά το μικρότερο παραγόμενο αριθμό ηλεκτρονίων, το PbO παρουσιάζει το ελάχιστο χώρο παραγωγής πρωτογενών ηλεκτρονίων (ακτίνας R=200 μm, βάθους Dmax=320 μm), ενώ το CdTe το μέγιστο (R=500 μm, Dmax=660 μm), (vi) τέλος, υπάρχουν σημαντικές ενδείξεις ότι τα PbI2 και HgI2 αποτελούν τις καλύτερες επιλογές φωτοαγώγιμου υλικού. / The x-ray induced primary electrons inside the photoconductor of direct conversion digital flat panel mammographic detectors, comprise the primary signal which propagates in the material and forms the final signal (image). Consequently, the quality of the mammographic image strongly depends on the characteristics of primary electrons. An investigation is made concerning the primary signal formation and the characteristics of primary electrons inside a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, CdTe, CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te, ZnTe, PbO, TlBr, PbI2 and HgI2, which are suitable photoconductors for direct detectors. A Monte Carlo model has been developed that simulates the primary electron production inside the materials mentioned for various x-ray spectra in the mammographic energy range. The model simulates the photon interactions and the atomic deexcitations. Furthermore, particularly for a-Se, a preliminary study is made concerning the correlation between the characteristics of primary and final signal, solving Newton’s equations of electron drifting in vacuum under the influence of a simple electric field. For the same material, an algorithm that calculates the electric potential distribution inside the detector from an existing analytical solution has been developed as well as a primitive Monte Carlo model for electron interactions. The most important findings are: (i) the percentage of primary electrons being forwards ejected is approximately 60 % with the most probable polar angles ranging from 50o to 70o, (ii) the electrons prefer to be emitted at two lobes around azimuthal angles φ=0 and π, (iii) approximately 80% of primary electrons are produced at the point of x-ray incidence whereas their majority is produced within the first 300 μm from detector’s surface, (iv) the electron spatial distributions for a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, PbO and TlBr are almost spectral independent while for the rest of materials there is a spectral dependence, (v) at the practical mammographic energies (15-40 keV) and at the primitive stage of signal formation a-Se, a-As2Se3 and Ge have the minimum azimuthal uniformity in electron emission whereas CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te and CdTe the maximum one, a-Se has the best inherent spatial resolution but the minimum number of primary electrons, PbO has the minimum bulk space in which electrons can be produced (radius R=200 μm, depth Dmax=320 μm) whereas CdTe has the maximum one (R=500 μm, Dmax=660 μm), (vi) finally, there is strong evidence indicating that PbI2 and HgI2 could be the best choices for this kind of applications.

Les émetteurs-récepteurs actuels tendent à devenir multi-standards c’est-àdireque plusieurs standards de communication peuvent cohabiter sur la même puce. Lespuces sont donc amenées à traiter des signaux de formes très différentes, et les composantsanalogiques subissent des contraintes de conception de plus en plus fortes associées au supportdes différentes normes. Les auto-interférences, c’est à dire les interférences généréespar le système lui-même, sont donc de plus en plus présentes, et de plus en plus problématiquesdans les architectures actuelles. Ces travaux s’inscrivent dans le paradigmede la « radio sale » qui consiste à accepter une pollution partielle du signal d’intérêtet à réaliser, par l’intermédiaire d’algorithmes, une atténuation de l’impact de ces pollutionsauto-générées. Dans ce manuscrit, on s’intéresse à différentes auto-interférences(phénomène de "spurs", de "Tx leakage", ...) dont on étudie les modèles numériques etpour lesquelles nous proposons des stratégies de compensation. Les algorithmes proposéssont des algorithmes de traitement du signal adaptatif qui peuvent être vus comme des« algorithmes de soustraction de bruit » basés sur des références plus ou moins précises.Nous dérivons analytiquement les performances transitionnelles et asymptotiques théoriquesdes algorithmes proposés. On se propose également d’ajouter à nos systèmes unesur-couche originale qui permet d’accélérer la convergence, tout en maintenant des performancesasymptotiques prédictibles et paramétrables. Nous validons enfin notre approchesur une puce dédiée aux communications cellulaires ainsi que sur une plateforme de radiologicielle. / Radio frequency transceivers are now massively multi-standards, which meansthat several communication standards can cohabit in the same environment. As a consequence,analog components have to face critical design constraints to match the differentstandards requirements and self-interferences that are directly introduced by the architectureitself are more and more present and detrimental. This work exploits the dirty RFparadigm : we accept the signal to be polluted by self-interferences and we develop digitalsignal processing algorithms to mitigate those aforementioned pollutions and improve signalquality. We study here different self-interferences and propose baseband models anddigital adaptive algorithms for which we derive closed form formulae of both transientand asymptotic performance. We also propose an original adaptive step-size overlay toimprove transient performance of our method. We finally validate our approach on a systemon chip dedicated to cellular communications and on a software defined radio.

Les émetteurs-récepteurs actuels tendent à devenir multi-standards c’est-àdireque plusieurs standards de communication peuvent cohabiter sur la même puce. Lespuces sont donc amenées à traiter des signaux de formes très différentes, et les composantsanalogiques subissent des contraintes de conception de plus en plus fortes associées au supportdes différentes normes. Les auto-interférences, c’est à dire les interférences généréespar le système lui-même, sont donc de plus en plus présentes, et de plus en plus problématiquesdans les architectures actuelles. Ces travaux s’inscrivent dans le paradigmede la « radio sale » qui consiste à accepter une pollution partielle du signal d’intérêtet à réaliser, par l’intermédiaire d’algorithmes, une atténuation de l’impact de ces pollutionsauto-générées. Dans ce manuscrit, on s’intéresse à différentes auto-interférences(phénomène de "spurs", de "Tx leakage", ...) dont on étudie les modèles numériques etpour lesquelles nous proposons des stratégies de compensation. Les algorithmes proposéssont des algorithmes de traitement du signal adaptatif qui peuvent être vus comme des« algorithmes de soustraction de bruit » basés sur des références plus ou moins précises.Nous dérivons analytiquement les performances transitionnelles et asymptotiques théoriquesdes algorithmes proposés. On se propose également d’ajouter à nos systèmes unesur-couche originale qui permet d’accélérer la convergence, tout en maintenant des performancesasymptotiques prédictibles et paramétrables. Nous validons enfin notre approchesur une puce dédiée aux communications cellulaires ainsi que sur une plateforme de radiologicielle. / Radio frequency transceivers are now massively multi-standards, which meansthat several communication standards can cohabit in the same environment. As a consequence,analog components have to face critical design constraints to match the differentstandards requirements and self-interferences that are directly introduced by the architectureitself are more and more present and detrimental. This work exploits the dirty RFparadigm : we accept the signal to be polluted by self-interferences and we develop digitalsignal processing algorithms to mitigate those aforementioned pollutions and improve signalquality. We study here different self-interferences and propose baseband models anddigital adaptive algorithms for which we derive closed form formulae of both transientand asymptotic performance. We also propose an original adaptive step-size overlay toimprove transient performance of our method. We finally validate our approach on a systemon chip dedicated to cellular communications and on a software defined radio.