TY - THES A1 - Kared, Trusha T1 - Mathematical analysis, design, and validation of a high dynamic range, low noise differential mixer using SiGe microwave transistors T1 - Mathematische Analyse, Entwurf und Validierung eines differentiellen Mischers mit hohem Dynamikbereich und geringem Rauschen unter Verwendung von SiGe-Mikrowellen Transistoren N2 - The limits imposed by the wireless environment require the designer to consider noise, linearity, and power consumption. Bipolar technology has been the most appealing silicon technology due to its high-speed performance and well-engineered base parasitics. Its high transition frequency and low base resistance have resulted in remarkable noise performance. These advantages, combined with scaling flexibility, have made bipolar devices the fundamental component of silicon RF front-ends. With the growing demand for high-performance wireless applications from satellite and radar systems to 5G infrastructure, there is a strong need for advanced mixer architectures that can deliver high isolation, gain, and low noise across wide frequency ranges. The purpose of this dissertation was to describe the differential mixer and its mathematical properties in terms of gain and noise figure, and to explore further optimizations. In fact, it turned out that the mixer design was greatly improved in terms of both the noise figure and the intercept point. The active double-balanced down-conversion mixer is built on SiGe technology. The circuit exhibits significant improvement in terms of the mixer’s other performance parameter metrics. This dissertation presents a novel SiGe HBT-based differential double-balanced down-conversion mixer featuring significantly enhanced conversion gain, noise performance, linearity, dynamic range, and port-to-port isolation. Compared to existing designs, this mixer delivers outstanding performance, achieving a single-sideband (SSB) noise figure of 7 dB ± 0.4 dB, a conversion gain of 12 dB ± 1 dB, and exceptional isolation metrics RF-to-IF isolation greater than 35 dB, with LO-to-RF and LO-to-IF isolation exceeding 50 dB across the 0.5 GHz to 1.8 GHz frequency range. Furthermore, it has an Input third-order intercept point (IP3) of +4.7 dBm, an output third-order intercept point (OIP3) of +15 dBm, and a 1 dB compression point of –8 dBm. This high-performance down-conversion double-balanced mixer integrates several state-of-the-art innovations. A transformer-free single-ended-to-differential conversion enhances efficiency and eliminates unnecessary components at the RF stage. The dual-feedback linearization technique optimizes impedance matching while suppressing nonlinear distortion, ensuring superior linearity. Additionally, symmetrical active device layout and advanced multilayer PCB technology significantly mitigate LO-to-RF feedthrough, reducing crosstalk and maximizing port-to-port isolation. These advancements collectively result in a highly efficient, low-noise, and exceptionally linear mixer architecture, setting a new benchmark in SiGe HBT-based mixer technology rather than relying on noisy CMOS technology. Due to its higher fabrication complexity, lower yield at advanced nodes, and the necessity for more complicated design tactics in high-frequency applications, CMOS technology in small quantities is ultimately more costly than SiGe HBT-based designs. Although CMOS excels in low-power applications and large-scale digital integration, SiGe HBT remains a reasonably affordable option for high-performance RF N2 - Die durch drahtlose Umgebungen gesetzten Grenzen erfordern von Entwicklern die Berücksichtigung von Rauschverhalten, Linearität und Energieverbrauch. Bipolare Technologien haben sich aufgrund ihrer Hochgeschwindigkeitsleistung und optimierten Basisparasitiken als besonders attraktive Siliziumtechnologie erwiesen. Ein hoher transitfrequenz sowie ein niedriger Basiswiderstand führen zu exzellentem Rauschverhalten. Diese Vorteile, kombiniert mit der Skalierbarkeit, machen bipolare Bauelemente zu einer Schlüsselkomponente moderner Silizium-RF-Frontends. Mit dem wachsenden Bedarf an Hochleistungs-Wireless-Anwendungen – von Satelliten- und Radarsystemen bis hin zur 5G-Infrastruktur steigt die Nachfrage nach fortschrittlichen Mischerarchitekturen, die hohe Isolation, Verstärkung und geringe Rauschwerte über einen weiten Frequenzbereich ermöglichen. Ziel dieser Dissertation war es, den Differenzmischer und seine mathematischen Eigenschaften hinsichtlich Verstärkung und Rauschmaß zu analysieren und weitere Optimierungsmöglichkeiten zu untersuchen. Der aktive, doppelt balancierte Abwärtsmischer basiert auf SiGe-Technologie und zeigt signifikante Verbesserungen bei weiteren wichtigen Leistungsparametern. Diese Arbeit stellt einen neuartigen differenziellen, doppelt balancierten Abwärtsmischer auf Basis von SiGe-HBTs vor, der eine signifikant verbesserte Umwandlungsverstärkung, Rauschleistung, Linearität, Dynamikbereich sowie Port-zu-Port-Isolation bietet. Im Vergleich zu bestehenden Designs erreicht dieser Mischer herausragende Leistungswerte: eine Single-Sideband-Rauschzahl (SSB) von 7 dB ± 0,4 dB, einen Umwandlungsgewinn von 12 dB ± 1 dB sowie exzellente Isolationswerte – eine RF-zu-IF-Isolation von über 35 dB sowie LO-zu-RF- und LO-zu-IF-Isolationen von jeweils über 50 dB im Frequenzbereich von 0,5 bis 1,8 GHz. Darüber hinaus weist der Mischer einen Eingangs-Drittordnungs-Abfangpunkt (IP3) von +4,7 dBm, einen Ausgangs-IP3 von +15 dBm und einen 1-dB-Kompressionspunkt von –8 dBm auf. Der Mischer integriert mehrere moderne Innovationen: Eine transformatorfreie Single-Ended-zu-Differential-Konversion erhöht die Effizienz und reduziert Bauteile im HF-Zweig. Die duale Rückkopplungs-Linearisierung verbessert die Impedanzanpassung und unterdrückt nichtlineare Verzerrungen – für eine exzellente Linearität. Darüber hinaus minimieren eine symmetrische Anordnung aktiver Bauelemente sowie fortschrittliche Multilayer-PCB-Technologie die LO-zu-RF-Durchkopplung, verringern Übersprechen und maximieren die Port-zu-Port-Isolation. Das Ergebnis ist eine effiziente, rauscharme und lineare Mischerarchitektur, die neue Maßstäbe in der SiGe-HBT-Technologie setzt. Im Vergleich zu CMOS – das in kleinen Stückzahlen aufgrund hoher Komplexität und niedriger Ausbeute kostspieliger ist – bietet SiGe-HBT bei RF- und Analogschaltungen überlegene Leistung zu geringeren Kosten. KW - Down-conversion double balanced mixer KW - Noise figure KW - Dynamic range KW - Marchand balun KW - LO mixing core KW - Doppelt balancierter Abwärtsmischer KW - Rauschmaß KW - Dynamikbereich KW - Marchand-Balun KW - LO-Mischkern KW - Heterobipolartransistor KW - Siliciumhalbleiter KW - Germaniumlegierung KW - Mischer KW - Rauschmessung Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-71216 ER - TY - THES A1 - Apte, Anisha T1 - A new analytical design method of ultra-low-noise voltage controlled VHF crystal oscillators and it’s validation T1 - Eine neue analytische Entwurfsmethode für spannungsgesteuerte UKW-Quarzoszillatoren mit extrem geringem Rauschen und ihre Validierung N2 - The design of high Q oscillators, using Crystals at lower frequencies, (and dielectric resonators at much higher frequencies), has long been considered a black art. This may be due to the fact that a systematic approach with optimized design guideline for crystal oscillators could not be found after extensive literature search. In this dissertation, after analyzing the first crystal oscillator by W.G. Cady (1921), other high performance crystal oscillators will be discussed, analyzed and calculated. A single transistor crystal oscillator design as used by HP (Hewlett Packard) in one of their designs, the HP10811A is considered in this thesis for mathematical analysis and CAD (Computer aided Design) simulation. This was also measured on state-of-the-art signal source analyzer. After validation, this design is scaled to 100MHz, the frequency of interest for this dissertation. Though most designers use a single transistor based oscillator circuit, it is not an optimized design because of limited control over key design parameters such as loop gain, dc current etc. This dissertation is an attempt to overcome the limitation due to the single transistor circuit and to give a step by step procedure, explaining the significance of a two transistor design with thorough analysis and design simulation results. This two stage transistor circuit is also not yet a best solution in terms of phase noise performance and output power, and some add-on circuitry will be needed for an optimized performance. An important contribution of this work is to show that since the voltage gain is the ratio of the collector resistor and the emitter resistor, the performance is practically independent of the VHF transistor and gives better control over various parameters of the oscillator, in order to optimize the design. A grounded-base amplifier is then introduced and added for improving the isolation and the output power. Unlike most oscillators, that take the output from the collector, a novel concept introduced by Rohde [14], is incorporated here, where the crystal is used as a filter that is then connected to the grounded base amplifier, a technique which many companies have been using. This dissertation will show that this technique increases the output power without significantly affecting the phase noise. Such a validation is needed for better understanding and as per my knowledge, has not been done so far. For the oscillator, the tuning diode sensitivity and flicker noise contribution are also taken into consideration, by calibrating the mathematics and its validation is shown. Crystal resonators of the type AT and stress-compensated (SC) cut devices will be considered as they give the best performance. The one port Colpitts type oscillator is considered first and the two port two transistor design later. Both will need a post amplifier/buffer stage. A complete step by step design procedure for an optimized 100MHz crystal oscillator is then presented. For completeness, CAD Simulation and Experimental results are provided for 10 MHz, 128 MHz and 155 MHz VCO circuits. N2 - Die Entwicklung von Oszillatoren mit Resonatoren hoher Güte unter Verwendung von Schwingquarzen für niedrigeren Frequenzen (ebenso wie von dielektrischen Resonatoren bei viel höheren Frequenzen) wurde lange Zeit als schwarze Kunst angesehen. Dies kann daran liegen, dass ein systematischer Ansatz mit optimierter Entwurfsrichtlinien für ersten Quarz-Oszillators trotz umfangreicher Literaturrecherche nicht gefunden werden konnte. In dieser Dissertation werden nach der Analyse des ersten bekannten Quarz-Oszillators von W. G. Cady (1921) andere Hochleistung Quarz-Oszillators diskutiert, analysiert und berechnet. Der HP10811A ist ein Einzeltransistor-Quarz-Oszillator, wie von HP (Hewlett Packard) in einem ihrer Designs verwendet. In dieser Arbeit wird die die Schaltung mathematisch und mithilfe von Computer Aided Design Simulation (CAD) analysiert . Die Schaltung wurde auch mit einem Signalquellenanalysator nach dem neuesten Stand der Technik gemessen. Nach der Bestätigung der Daten wird dieses Design auf 100 MHz skaliert, die Frequenz, die für diese Dissertation von Interesse ist. Obwohl die meisten Entwickler eine Oszillatorschaltung auf Einzeltransistorbasis verwenden, handelt es sich nicht um ein optimiertes Design, da die Kontrolle über wichtige Designparameter wie Schleifenverstärkung, Gleichstrom usw. begrenzt ist. Diese Dissertation präsentiert einen Ansatz, die Einschränkung aufgrund der Einzeltransistorschaltung zu überwinden und zeigt eine schrittweise Vorgehensweise, in der die Bedeutung eines Zwei-Transistor-Entwurfs mit gründlichen Analyse- und Entwurfssimulationsergebnissen erläutert wird. Diese zweistufige Transistorschaltung ist jedoch noch nicht die optimale Lösung hinsichtlich des Phasenrauschens und der Ausgangsleistung, und für eine optimierte Leistung wird eine zusätzliche Schaltungen benötigt. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist es zu zeigen, dass das Oszillator-Design durch eine Schaltungstopologie optimiert werden kann, bei der die Schleifen-Spannungsverstärkung durch das Verhältnis des Kollektorwiderstands zum Emitterwiderstand festgelegt ist. Dadurch werden die die Schaltung bestimmenden Parameter praktisch unabhängig vom VHF-Transistor, was eine bessere Kontrolle der Parameter des Oszillators ermöglicht. In der mathematischen Analyse des Oszillator werden auch die Empfindlichkeit der Abstimmdiode und der Beitrag des Flicker-Rauschens berücksichtigt und die Genauigkeit der Schaltungsberechnung verifiziert. Quarz-Resonatoren mit AT Schnitt und stressskompensierte (SC) Schnitte werden als die beste Lösung angesehen. Der Oszillator vom Colpitts-Typ mit einem “Tor” wird zuerst betrachtet und der Transistor mit zwei “Toren” später. Beide benötigen eine Nachverstärker- bzw. Pufferstufe. Anschließend wird ein vollständiges schrittweises Entwurfsverfahren für einen optimierten 100-MHz-Quarzoszillator vorgestellt. Der Vollständigkeit halber werden CAD-Simulations- und Versuchsergebnisse für 10-MHz-, 128-MHz- und 155-MHz-VCO-Schaltungen bereitgestellt. Abschließend wird ein Nachverstärker in Basisschaltung eingeführt, um die Isolation und die Ausgangsleistung zu verbessern. Im Gegensatz zu den meisten Oszillatoren, die den Ausgang vom Kollektor beziehen, wird hier ein innovatives Konzept von Rohde [14] benutzt, bei dem der Quarzresonator als Filter und Resonator verwendet wird, bevor es durch den Nachverstärker ausgekoppelt wird. Diese Technik wurde inzwischen von vielen Herstellern übernommen. Diese Dissertation zeigt, dass diese Schaltungstechnik die Ausgangsleistung erhöht, ohne das Phasenrauschen wesentlich zu beeinflussen. Dieser Nachweis ist zum besseren Verständnis erforderlich und wurde meines Wissens bisher noch nicht erbracht. KW - Quartz crystal KW - Crystal oscillator KW - Phase noise KW - Reference source KW - Voltage controlled KW - Quarzkristall KW - Kristalloszillator KW - Phasenrauschen KW - Referenzquelle KW - Spannungsgesteuert KW - Quarzoszillator KW - UKW KW - CAD Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51386 ER - TY - THES A1 - Griebel, Wolfgang T1 - Weltraumgeeignete 5MHz Quarzoszillatoren mit maximaler Stabilität zwischen 1 und 10 Sekunden T1 - Space Qualified 5MHz Crystal Oscillators with Maximum Stability between 1 and 10 Seconds N2 - The dissertation covers the physical, design, simulation and measurement aspects of extremely high Q precision oscillators for space applications. Existing design approaches and methods are evaluated, and it is shown that only physically complete models can deliver a good agreement between theory and experiments. A prototype was built showing very good phase noise and stability. N2 - Diese Dissertation behandelt die physikalischen, Design, Simulations- und Meßprobleme die bei weltraumtauglichen Präzisionsoszillatoren mit extrem hoher Güte auftreten. Bestehende Designansätze wurden evaluiert, und es wurde gezeigt, daß nur physikalisch vollständige Modelle eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen Theorie und dem Experiment ermöglichen können. Ein Prototyp mit sehr guter Stabilität und extrem niedrigem Phasenrauschen wurde erstellt. KW - Phase Noise KW - Crystal Oscillator KW - Nonlinear KW - Design Method KW - Allen Variance KW - Phasenrauschen KW - Quarzoszillator KW - Nichtlinear KW - Entwurfsmethode KW - Allen Varianz KW - Quarzoszillator KW - Raumfahrt KW - Phasenrauschen KW - Systementwurf Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55204 ER -