Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1448
Main Title: Ein Beitrag zum Entwurf von Frequenzumsetzern hoher Dynamik mit GaAs-HBTs
Translated Title: A contribution to the design of high dynamic mixers using GaAs-HBTs
Author(s): Tempel, Mike
Advisor(s): Böck, Georg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Rausch- und Aussteuerverhalten eines aktiven MMIC-Mischers auf der Basis von GaAs-Heterobipolartransistoren untersucht. Es entstand ein sehr linearer MMIC-Mischer für den Einsatz in Mobilfunksystemen bis 5 GHz. Das für ein erfolgreiches MMIC-Design mit kommerziellen Schaltungssimulatoren benötigte Großsignalmodell wird im ersten Teil der vorliegenden Arbeit abgeleitet. Dabei wird die messtechnische Bestimmung aller zur Modellierung des Signal- und Rauschverhaltens benötigten Parameter vorgestellt. Das verwendete Großsignalmodell stellt eine Erweiterung des Ebers-Moll-Transistormodells dar. Durch die Ergänzung um eine zusätzliche Basis-Emitter-Diode konnte der nicht konstanten Stromverstärkung bei HBTs Rechnung getragen werden. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit der Parameter des Großsignalmodells wurde ein dynamisches Temperaturmodell entwickelt. Die Modellierung der HBT-Rauscheigenschaften umfasst die Beiträge von Hochfrequenz- und Niederfrequenzrauschen, sowie dem thermischen Rauschen der ohmschen Elemente des Umgebungsnetzwerkes. Der physikalisch korrekte Aufbau des Großsignalmodells konnte anhand des Vergleichs von simulierten und gemessenen HF-Rauschparametern verifiziert werden. Das Großsignalmodell inklusive aller Rauschquellen ist vollständig in den kommerziellen Schaltungssimulator ADS implementiert worden. Basierend auf diesem Modell wurde ein doppelt balancierter Schaltmischer entwickelt. Für den untersuchten Schaltmischer wurde auf eine spezielle im AB-Betrieb arbeitende Transimpedanzstufe zurückgegriffen. Neben einer über den Ruhestrom einstellbaren Eingangsimpedanz ist diese Schaltungsvariante mit einem single-ended Signal ansteuerbar. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Eingangsstufe erstmalig vollständig hinsichtlich ihrer Aussteuer- und Rauscheigenschaften untersucht. Zur Beschreibung der nichtlinearen Rauschprozesse des Schaltmischers wurde ein vereinfachtes Analyseverfahren vorgestellt und zur Berechnung der Einseitenbandrauschzahl eingesetzt. Bei der Untersuchung der Intermodulationsverzerrungen der Transimpedanzstufe wurde mit einer Potenzreihenapproximation die transzendente Gleichung der Eingangsstufe aufgelöst. Die Berechnung des kubischen Koeffizienten der Potenzreihenapproximation ergab, dass dieser für einen Ruhestrom von I0 = 390µA zu Null gesetzt wird und in diesem Fall keine Intermodulationsverzerrungen 3. Ordnung entstehen. Eine Verschiebung dieses Kompensationspunktes zu höheren Strömen ist durch das Einfügen eines Serienwiderstandes zwischen Mischereingang und der RF-Quelle möglich. Es wurde nachgewiesen, dass ein Anheben des Ruhestromes geringere Signalverzerrungen 3. Ordnung nach sich zieht. Basierend auf den Ergebnissen der Rauschanalyse und des Intermodulationsverhaltens wurde der erzielbare Dynamikbereich des Schaltmischers bestimmt. Die Verifizierung der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse konnte anhand von Messungen vorgenommen werden.
The work presented here reports on noise and large signal behaviour of an active MMIC mixer using GaAs heterobipolartransistors (HBTs). A very linear MMIC mixer for mobile phone applications up to 5 GHz was developed. The first part deals with the derivation of a new HBT large-signal model for commercial circuit simulators. The extraction of all model parameters describing the signal and noise behaviour is shown. The used large-signal model is an extension of the well-known Ebers-Moll BJT model. The none constant current gain inherent to HBTs is taken into consideration by an additional base-emitter diode equation. A dynamic temperature model was included because of the strong temperature dependence of the large signal model parameters. The HBT noise model includes high- and low-frequency noise sources of the intrinsic transistor as well as all thermal noise sources of the extrinsic contact regions. The physical correct buildup of the large-signal model was verified by the comparison of the measured and simulated noise-parameters. The large-signal model including noise sources was fully implemented into the commercial circuit simulator ADS. Based on that model a double balanced switching mixer was designed. For the designed mixer an improved linear transconductance cell called class AB single-ended to differential transconverter is used. This input stage has an extended linear range and a current controlled input impedance. For the first time a comprehensive analysis of the dynamic range is presented. A simplified method for noise prediction in switching mixers is presented and used to calculate the mixers noise figure. A power series approximation was used to solve the transcendental equation describing the transfer function of the input stage. Based on that simplification the intermodulation behaviour was analysed. It was shown that the third order intermodulation disappear for a quiescent current of 300µA. An additional input series resistor between input-stage and RF signal source introduces an additional degree of freedom i.e. the third order intermodulation can be minimised for a given current. Finally, the dynamic range of the switching mixer was determined based on the results of the noise- and intermodulation analysis. The last part reports on the development and the realisation of an fully-balanced switching HBT mixer.The measured results confirm the simulated values calculated by ADS simulations using the new HBT large-signal model.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13980
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1745
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1448
Exam Date: 9-May-2006
Issue Date: 18-Oct-2006
Date Available: 18-Oct-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aktiver Frequenzumsetzer
Dynamikbereich
HBT Modellierung
Intermodulation
Rauschmodellierung
Active mixer design
Dynamic range
HBT modelling
Intermodulation distortion
Noise modelling
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien » Publications

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