LOW-VOLTAGE CMOS QUADRATURE PHASE SHIFTER AND ITS APPLICATION IN VECTOR-SUM PHASE SHIFTER. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Alanoud Thesis .pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 3 August 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

يعد مُزيح الطور (Phase Shifter - PS) عنصراً أساسياً في أنظمة الاتصالات الحديثة، حيث يُستخدم لضبط طور الإشارة بدقة بهدف تحقيق متطلبات الأنظمة المتقدمة مثل الرادارات، والاتصالات اللاسلكية، ومعالجة الإشارات. إلا أن العديد من التصاميم التقليدية تعاني من محدوديات تتعلق بدقة الطور والسعة، وارتفاع استهلاك الطاقة، وتعقيد بنية الدوائر الإلكترونية. بناءً على ذلك، تهدف هذه الرسالة إلى تصميم وتنفيذ مزيح طور رباعي (QPS) منخفض الجهد ومنخفض الاستهلاك للطاقة باستخدام تقنيةCMOS ، ومن ثم دمجه في بنية مزيح طور متغير يعتمد على جمع إشارة ذات طورين بينهما إزاحة بمقدار 90 درجة.(VSPS) يعتمد التصميم المقترح على مرشحات إشارة للتردد المنخفض وللتردد العالي، بالإضافة إلى دوائر مقارنة لضبط تردد القطب وتحقيق إزاحة طور رباعي دقيق بمقدار 90 درجة. تم تصميم مزيح الطور للعمل من ترددات منخفضة إلى تردد 850 ميجاهرتز باستخدام مصدر جهد ±0.5 فولت، مع استهلاك طاقة يبلغ 0.38 ميلي واط. وقد أظهرت نتائج المحاكاة دقة عالية، حيث بلغ خطأ الطور ±0.8 درجة، والانحراف في السعة 0.25 ديسيبل فقط بين الإشارة الأصلية ونظيرتها ذات الطور الرباعي. تم تنفيذ التصميم باستخدام تقنية CMOS بدقة تصنيع 130 نانومتر استناداً إلى نموذج .BSIM4 علاوة على ذلك، يستعرض هذا البحث دمج مزيح الطور الرباعي (QPS) مع مزيح طور مجموع المتجهات (VSPS) محسّن والتحكم به بثلاثة بتات، ويقدّم تقنية بسيطة لتعويض تغيّرات السعة. يتميّز الـ VSPS المقترَح باستهلاك منخفض للطاقة، لا يتجاوز 1 ميلي واط، وببساطة دائرة أقل مقارنةً بالتصاميم التقليدية. وقد تم تنفيذ المنظومة الكاملة بتقنية CMOS بدقة 130 نانو متر، وتعمل ضمن نطاق 40–400 ميجاهرتز باستهلاك تيار مستمر كلي قدره 1.38 ميلي واط (0.38 ميلي واط لـ QPS و1 ميلي واط لـ VSPS). تؤكد نتائج المحاكاة تحقيق الهيكلية للأهداف المنشودة، حيث تسجّل خطأ طور جذري تربيعي قدره 6° وخطأ سعة جذري تربيعي قدره 0.38 ديسيبل. إن هذا الدمج بين الـ QPS منخفض الجهد والـ VSPS المدمج ذو الخمسة بتات يجعل التصميم ملائماً للغاية للتطبيقات المقيَّدة بالطاقة.

English Abstract

A phase shifter (PS) is a fundamental component in modern communication systems, enabling the precise adjustment of signal phase to support a wide range of applications such as radar, wireless communication, and signal processing. Existing PS designs suffer from some limitations in phase/amplitude accuracy, power consumption, and circuitry complexity. This research focuses on the implementation and design of a CMOS low-voltage and low-power quadrature phase shifter (QPS) and its integration into a vector-sum phase shifter (VSPS) architecture. The proposed QPS enhances the overall performance while maintaining the simplicity of the design and reduces power consumption. It uses a calibration system to tune the pole frequency of the output signal and maintain an accurate quadrature phase. The proposed design is based on high-pass and low-pass filters, rectifier, and comparator functions. The QPS is designed to operate at low frequencies up to 850 MHz with a ± 0.5 V power supply and a power consumption of 0.38 mW. It exhibits a phase error of ±0.8° and 0.25 dB magnitude discrepancies between the output signal and its quadrature phase version. The circuit designs for 130 nm CMOS technology, based on the BSIM4 model, are included with simulated performance results for the proposed QPS. Furthermore, this thesis demonstrates the integration of the QPS with an optimized 5-bit VSPS and introduces a straightforward technique to compensate for amplitude variations. The proposed VSPS exhibits low power consumption, only 1 mW, and reduced circuit complexity relative to conventional designs. Implemented in 130-nm CMOS, the complete system operates over 40-400 MHz with a total DC power consumption of 1.38 mW (0.38 mW for the QPS and 1 mW for the VSPS). Simulation results confirm that the architecture meets its targets, yielding an RMS phase error of 6° and an RMS amplitude error of 0.38 dB. This combination of a low-voltage QPS and a 5-bit VSPS makes the design well suited to energy-constrained applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Al-Qahtani, Mohammed
Committee Members:	Al Absi, Muneer and Hussein, Alaa El Din
Depositing User:	ALANOUD SKEK (g202202580)
Date Deposited:	10 Aug 2025 06:02
Last Modified:	10 Aug 2025 06:02
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143631