Idea di base ed implementazione

Dal punto di vista puramente funzionale, è già stato fatto notare al paragrafo 1.3 come ci sia una certa analogia tra un sistema di mixing del tipo a cella di Gilbert e un oscillatore dierenziale a coppia incrociata. Si è visto infatti come in entrambi i circuiti le coppie di transistor agiscano fondamentalmente da interruttori, modulando la corrente nei singoli rami dierenziali e permettendo così il corretto funzionamento delle due tipologie di circuito. In particolare, tale comportamento permette al mixer di operare la conversione in frequenza del segnale RF iniettato attraverso il generatore di coda (a patto che il segnale dell'LO sia sucientemente ampio da garantire la completa commutazione dei MOSFET) e all'oscillatore dierenziale di sostenere il segnale armonico in uscita e settarne correttamente l'ampiezza a regime.

Vista questa particolare assonanza, è opportuno pensare di poter utilizzare un uni-co stadio per svolgere entrambe le funzionalità: se infatti si sceglie un oscillatore in cui la coppia incrociata di transistor opera in regime di commutazione completa (situazio-ne spesso indicata col termi(situazio-ne inglese hard switching regime) si ha che la forma d'onda della corrente sui singoli rami dierenziali è del tipo ad onda quadra e tale caratte-ristica può quindi essere utilizzata per implementare all'interno dell'oscillatore stesso anche la funzionalità di mixing. Quest'ultima infatti, come visto nel capitolo

prece-2.2 - Idea di base ed implementazione dente, è legata a doppio lo alla possibilità di commutare completamente la corrente RF tra i due rami di un sistema di tipo dierenziale, operazione peraltro garantita cor-rettamente essendo gli andamenti delle correnti sui due rami di tipo complementare anche per un oscillatore.

Modicando opportunamente quest'ultimo per garantire l'iniezione del segnale a radiofrequenza si può quindi ottenere dallo stesso blocco circuitale che genera il segnale armonico anche l'operazione di conversione alla frequenza intermedia. Il sistema così ottenuto viene identicato generalmente col nome di SOM (Self Oscillating Mixer) e se ne trovano numerosi esempi in letteratura.

Chiaramente una delle metodologie possibili (nonchè la più semplice) per iniettare il segnale RF nell'oscillatore è quella di utilizzare a tal scopo il transistor di coda, che oltre a fornire la corrente di polarizzazione per l'intero stadio viene quindi anche incaricato di produrre una componente di corrente a radiofrequenza proporzionale alla tensione RF presente al suo ingresso per mezzo della propria transconduttanza del modello al piccolo segnale.

A questo punto quindi si può pensare di utilizzare opportunamente tale trasduzione in corrente del segnale a radiofrequenza per eettuare anche un'amplicazione dello stesso: si sta pensando cioè di impilare la cella SOM precedentemente descritta al di sopra di una cella amplicatrice, dando al MOSFET di coda anche la funzione di amplicatore RF.

Se inne tale stadio di amplicazione viene progettato in modo tale da garantire una bassa gura di rumore ed implementare l'adattamento di impedenza in ingresso, utilizzando ad esempio la tecnica della degenerazione induttiva al source come visto nel sottoparagrafo 1.3.1, si ha che lo stesso racchiude anche la funzionalità tipica dell'amplicatore a basso rumore.

In tal modo è possibile allora integrare in un unico stadio l'intera sezione a radiofre-quenza di un ricevitore, semplicemente impilando una cella del tipo mixer-oscillatore al di sopra di un LNA ed ottenendo quindi le funzionalità tipiche del generico front end per mezzo di un unico stadio. Il circuito monolitico così delineato prende il nome di cella LMV, dall'acronimo inglese di LNA-Mixer-VCO, ed il suo schema di massima è riportato in gura 2.1, dove si è ipotizzato l'utilizzo della degenerazione induttiva per l'amplicatore a basso rumore.

Il vantaggio di riuscire ad integrare l'intera sezione a radiofrequenza di un ricevi-tore in un unico blocco è indubbio, sia dal punto di vista del numero di dispositivi attivi richiesti (e di conseguente area occupata su silicio), ma anche e soprattutto per quanto riguarda i consumi. Nella cella LMV, infatti, la corrente di polarizzazione è la stessa per tutti gli stadi, essendo questi ultimi impilati uno sopra l'altro: la stessa

cor-VDD L/2 L/2 C M1 M2 M0 V RF L S L g LNA Mixer - oscillatore

Figura 2.1 Struttura di base di una cella LMV.

rente di bias dell'LNA si occupa anche della corretta polarizzazione dei dispositivi che costituiscono la cella mixer-oscillatore. Ad un circuito in cui ciò accade ci si riferisce spesso apostrofandolo con l'aggettivo current reusing, a sottolineare come la corrente di polarizzazione di uno stadio venga riutilizzata ecacemente anche per gli altri.

Ora che sono stati introdotti i concetti base che permettono l'ideazione e la con-seguente realizzazione della cella LMV, è evidente come essi siano indipendenti dal tipo di soluzioni circuitali utilizzate per l'implementazione dei singoli blocchi. L'unico requisito fondamentale è infatti quello che l'oscillatore scelto come base operi in regi-me di commutazione completa e perregi-metta l'iniezione del segnale a radiofrequenza al ne di operare anche come sistema di mixing, ma fatta salva questa questa necessità è chiaro come l'architettura qui presentata si presti ad una varietà sucientemente ampia di possibili implementazioni.

Nel corso del prossimo paragrafo verrà descritta in particolare la soluzione uti-lizzata nell'articolo Time-variant analysis and design of a power ecient ISM-band quadrature receiver (in bibliograa alla voce [1]), che come già detto rappresenta la struttura di base dalla quale si è partiti per lo sviluppo del progetto presentato in questa Tesi di Laurea.

2.3 - Struttura della cella LMV