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Low power channel selection filtering for highly integrated wireless receivers

In this research work, low-voltage and low-power techniques have been applied to implement novel analog circuits, mainly Gm-C filters. The structure of the thesis follows a bottom-up scheme: basic techniques at device level are proposed in the first place, followed by the introduction of novel circuit topologies at cell level, and finally the achievement of new designs at system level. At device level the main contribution of this work is the employment of Floating-Gate (FG) and Quasi-Floating-Gate (QFG) transistors in order to reduce the power consumption. By using them, new topologies are proposed at cell level, being a high-performance tunable class AB transconductor well adapted to low power and low voltage environments the most important one. This circuit employs a resistive divider implemented by MOS transistors operating in triode region as tuning scheme. Regarding system level, new designs have been achieved by employing these novel cells. In fact, as a final result, this dissertation introduces a new tunable highly-linear third-order Butterworth low-pass Gm-C filter, suitable for channel selection filtering in a Zero-IF receiver. Automatic tuning systems are also proposed to improve it. Moreover, a VGA is also implemented by employing the same basic cell. It operates with constant bandwidth for all the gain settings. Both are important blocks in a Zero-IF wireless receiver. All the proposed circuits have been fabricated using a 0.5μm doublepoly n-well CMOS technology, and the corresponding measurement results are provided and analyzed to validate their operation. Furthermore, different approaches to obtain the final designs are discussed together with theoretical analysis to fully explore the potential of the resulting circuits and systems in the scenario of low-power low-voltage applications.

En este trabajo de investigación, se han propuesto y aplicado nuevas técnicas de baja tensión y bajo consumo en diseño analógico para implementar varios circuitos, principalmente filtros Gm-C. La tesis está estructurada en niveles ordenados de abajo hacia arriba: técnicas básicas a nivel de dispositivo se proponen en primer lugar, seguidas por la introducción de nuevas topologías de circuitos a nivel de celda, y finalmente por la obtención de nuevos diseños a nivel de sistema. A nivel de dispositivo, la mayor contribución de este trabajo es el empleo de transistores de puerta flotante (FG: Floating-Gate) y puerta cuasiflotante (QFG: Quasi-Floating Gate), cuyo objetivo es la reducción del consumo de potencia. Mediante su empleo se han propuesto nuevas topologías a nivel de circuito, siendo un transconductor sintonizable clase AB adaptado a los requisitos de baja tensión y bajo consumo de los sistemas de comunicaciones modernos la más importante de ellas. Este circuito utiliza como esquema de sintonía un divisor resistivo implementado con transistores MOS operando en la región de triodo. Finalmente, a nivel de sistema, se han conseguido nuevos diseños que utilizan en su implementación los circuitos propuestos. De hecho, como resultado final, se propone un filtro Butterworth Gm- C paso bajo sintonizable de orden 3 aplicable a la selección de canal en un receptor de conversión directa. A fin de mejorarlo, se han propuesto también sistemas de sintonía automática. Además, se ha implementado también un VGA que emplea el mismo circuito básico, y que presenta un ancho de banda constante para todas las ganancias. Ambos son bloques importantes en un receptor inalámbrico de conversión directa. Todos los circuitos propuestos en esta tesis han sido fabricados usando una tecnología CMOS n-well doble-poly de 0.5μm. Además, los resultados de las medidas experimentales son presentados y analizados en cada caso para validar el funcionamiento del correspondiente diseño. Asimismo, se incluyen explicaciones teóricas y procedimientos de diseño a modo de validación del potencial de los circuitos propuestos en el campo del diseño de baja tensión y bajo consumo.