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Enhancing Digital Controllability in Wideband RF Transceiver Front-Ends for FTTx Applications

Lakshminarayanan, Sreekesh (2020):
Enhancing Digital Controllability in Wideband RF Transceiver Front-Ends for FTTx Applications.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00011801,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Enhancing Digital Controllability in Wideband RF Transceiver Front-Ends for FTTx Applications
Language: English
Abstract:

Enhancing the digital controllability of wideband RF transceiver front-ends helps in widening the range of operating conditions and applications in which such systems can be employed. Technology limitations and design challenges often constrain the extensive adoption of digital controllability in RF front-ends. This work focuses on three major aspects associated with the design and implementation of a digitally controllable RF transceiver front-end for enhanced digital control.

Firstly, the influence of the choice of semiconductor technology for a system-on-chip integration of digital gain control circuits are investigated. The digital control of gain is achieved by utilizing step attenuators that consist of cascaded switched attenuation stages. A design methodology is presented to evaluate the influence of the chosen technology on the performance of the three conventionally used switched attenuator topologies for desired attenuation levels, and the constraints that the technology suitable for high amplification places on the attenuator performance are examined.

Secondly, a novel approach to the integrated implementation of gain slope equalization is presented, and the suitability of the proposed approach for integration within the RF front-end is verified.

Thirdly, a sensitivity-aware implementation of a peak power detector is presented. The increased employment of digital gain control also increases the requirements on the sensitivity of the power detector employed for adaptive power and gain control. The design, implementation, and measurement results of a state-of-the-art wideband power detector with high sensitivity and large dynamic range are presented. The design is optimized to provide a large offset cancellation range, and the influence of offset cancellation circuits on the sensitivity of the power detector is studied. Moreover, design considerations for high sensitivity performance of the power detector are investigated, and the noise contributions from individual sub-circuits are evaluated.

Finally, a wideband RF transceiver front-end is realized using a commercially available SiGe BiCMOS technology to demonstrate the enhancements in the digital controllability of the system. The RF front-end has a bandwidth of 500 MHz to 2.5 GHz, an input dynamic range of 20 dB, a digital gain control range larger than 30 dB, a digital gain slope equalization range from 1.49 dB/GHz to 3.78 dB/GHz, and employs a power detector with a sensitivity of -56 dBm and dynamic range of 64 dB. The digital control in the RF front-end is implemented using an on-chip serial-parallel-interface (SPI) that is controlled by an external micro-controller. A prototype implementation of the RF front-end system is presented as part of an RFIC intended for use in optical transceiver modules for fiber-to-the-x applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Verbesserung der digitalen Steuerbarkeit von Breitband-RF-Transceiver-Frontends trägt dazu bei, den Bereich der Betriebsbedingungen und Anwendungen, in denen solche Systeme eingesetzt werden können, zu erweitern. Technologische Einschränkungen und Designherausforderungen behindern häufig die umfassende Einführung der digitalen Steuerbarkeit in HF-Frontends. Diese Arbeit konzentriert sich auf drei Hauptaspekte im Zusammenhang mit dem Entwurf und der Implementierung eines digital steuerbaren HF-Transceiver-Frontends für eine verbesserte digitale Steuerung. Zunächst wird der Einfluss der Wahl der Halbleitertechnologie für eine System-on-Chip-Integration digitaler Verstärkungsregelkreise untersucht. Die digitale Steuerung der Verstärkung wird durch die Verwendung von Dämpfungsglieder erreicht, die aus kaskadierten geschalteten Dämpfungsstufen bestehen. Der Einfluss der ausgewählten Technologie auf die Leistung der drei herkömmlich verwendeten Topologien mit geschalteten Dämpfern wird bewertet, um die Einschränkungen zu untersuchen, die die für hohe Verstärkung geeignete Technologie für die Leistung des Dämpfers darstellt. Zweitens wird ein neuartiger Ansatz zur integrierten Implementierung des Gain-Slope-Equalizers vorgestellt und die Eignung des vorgeschlagenen Ansatzes für die Integration innerhalb des RF-Frontends überprüft. Drittens wird eine sensitivitätsbewusste Implementierung eines Spitzenleistungsdetektors vorgestellt. Der verstärkte Einsatz der digitalen Verstärkungsregelung erhöht auch die Anforderungen an die Empfindlichkeit des Leistungsdetektors, der für die adaptive Leistungs- und Verstärkungsregelung eingesetzt wird. Das Design, die Implementierung und die Messergebnisse eines hochmodernen Breitband-Leistungsdetektors mit hoher Empfindlichkeit und großem Dynamikbereich werden vorgestellt. Das Design wurde optimiert, um einen großen Offset-Unterdrückungsbereich bereitzustellen, und der Einfluss von Offset-Unterdrückungsschaltungen auf die Empfindlichkeit des Leistungsdetektors wird untersucht. Darüber hinaus werden Entwurfsüberlegungen für ein Hochempfindlichkeitsverhalten des Leistungsdetektors untersucht und die Rauschbeiträge von einzelnen Teilschaltungen bewertet. Schließlich wird ein Breitband-RF-Transceiver-Front-End unter Verwendung einer im Handel erhältlichen SiGe-BiCMOS-Technologie realisiert, um die Verbesserungen der digitalen Steuerbarkeit des Systems zu demonstrieren. Das RF-Front-End hat eine Bandbreite von 500 MHz bis 2,5 GHz, einen Eingangsdynamikbereich von 20 dB, einen digitalen Verstärkungsregelbereich von mehr als 30 dB und einen digitalen Verstärkungssteilheitsausgleichsbereich von 1.49 dB/GHz bis 3.78 dB/GHz und verwendet einen Leistungsdetektor mit einer Empfindlichkeit von -56 dBm und Dynamikbereich von 64 dB. Die digitale Steuerung im RF-Frontend erfolgt über eine On-Chip-Seriell-Parallel-Schnittstelle (SPI), die von einem externen Mikrocontroller gesteuert wird. Eine prototypische Implementierung des RF-Front-End-Systems wird als Teil eines RFIC vorgestellt, der für die Verwendung in optischen Transceivermodulen für Fiber-to-the-x-Anwendungen vorgesehen ist.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute of Computer Engineering > Integrated Electronic Systems
Date Deposited: 02 Jun 2020 12:20
Last Modified: 09 Jul 2020 06:34
DOI: 10.25534/tuprints-00011801
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-118018
Referees: Hofmann, Prof. Dr. Klaus and Anders, Prof. Dr. Jens
Refereed: 29 April 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11801
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