Proyecto Fin de Carrera del alumno Jesús Ruben Pulido Medina para la ETSIT de la ULPGC

1. Diseño de un amplificador de bajo ruido
(LNA) para el estándar inalámbrico UWB en
tecnología SiGe 0.35 μm
Autor: Jesús Rubén Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino Suárez
ETSIT Ingeniería Electrónica Cotutora: Amaya Goñi Iturri
ULPGC Mayo de 2007
Proyecto Fin de Carrera
1

2. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2  Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
2

3. • Introducción
3

4. • Introducción
– Redes Inalámbricas Fijas
» MMDS
» LMDS
» Microondas punto a punto
» Enlaces ópticos
– Redes Inalámbricas Móviles
» WWAN
» WMAN
» WLAN
» WPAN
4

5. Introducción
5

6. • Introducción
– Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band)
– Velocidades de transmisión de hasta 400-500 Mbps
6

7. •Introducción
Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band)
• Generación de señales de UWB:
• IR-UWB
• CB-UWB
• FCC (Federal Communications Commissions)
• 802.15.3a basados probablemente en CB-UWB
• MBOA (Multiband OFDM Alliance)
• Espectro de 3.1-10.6 GHz
• 14 bandas de 528 MHz
• Moduladas en QPSK-OFDM 128
• Tasa de datos de 53.3-480 Mbps
7

8. •Introducción
Transceiver de UWB
LNA F ilt r o ADC
B anda B ase
F ilt r o S in t e t iz a d o r
MAC
PA F ilt r o DAC
8

9. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2  Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
9

10. ● Objetivos
- Diseño de un LNA con tecnología SiGe 0,35 µm para el
estándar inalámbrico IEEE 802.15.3a.
- Integración de dicho amplificador en un receptor de
conversión directa.
- Verificación de la validez de la tecnología empleada en
la implementación de un LNA para dicho estándar.
10

11. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2  Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
11

12. • Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF)
Características del estándar IEEE 802.15.3a
12

13. • Características de los sistemas de RF
• Ganancia
• Figura de ruido (NF)
• Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3)
• Coeficiente de onda estacionario (VSWR)
13

14. • Ganancia
Relación entre las amplitudes de las señales de entrada y
salida de un circuito
LNA
Vsalida  Vsalida 
G= G (dB) = 20 log
V 

V entrada  entrada 
14

15. • Figura de ruido
Vn 1 2
|Vn|
T
t F
PN 0 PS i / PN i SNRi
F= F= =
P Ni ⋅G A PS 0 / PN 0 SNR0
NF = F (dB )
15

16. Para dos etapas en cascada:
NF1 NF2
GA1 GA2
F2 − 1
F = F1 +
G A1
16

17. • Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3)
Nos informa acerca de la linealidad de un circuito
OIM3
ω ω
ω1 ω2 2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1
OIM3 Señal
deseada
ω ω
ω1 ω2 2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1
Señal
deseada
17

18. Psalida (dBm)
OIP3
Potencia de la señal
∆P
principal
2
Pin
Potencia de IM
∆P ∆P (IM3)
Curvas
IM3 Reales
∆P
2
ω
2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1 IIP3 Pentrada (dBm)
20 log (Ain)
ω1
ω2
ω
18

19. • Coeficiente de onda estacionario (VSWR)
Medida cuantitativa de la adaptación del circuito a la entrada
(VSWR1) o a la salida (VSWR2).
Onda _ incidente VSWR − 1
| ΓL |= =
Onda _ reflejada VSWR + 1
19

20. • Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF)
Características del estándar IEEE 802.15.3a
20

21. Características del estándar IEEE 802.15.3a
• Propuesto por la MBOA
» Espectro de 3.1-10.6 GHz
» 14 bandas de 528 MHz
» Moduladas en QPSK-OFDM 128
» Tasa de datos de 53.3-480 Mbps
» Frecuencia central de la banda = 2904 + 528 × nb,
nb = 1….14 (MHz)
21

22. Características del estándar IEEE 802.15.3a
Especificaciones del receptor para UWB-MBOA (zero-IF)
B anda
F ilt r o LNA F iltr o ADC
(B a n d a B a s e ) B ase
(M A C )
S in t e t iz a d o r
22

23. – Características del estándar IEEE 802.15.3a
• Desafíos en el diseño de receptores MB-OFDM
– Adaptación de la impedancia de banda ancha
– Aparecen señales bloqueantes → Mejor linealidad
– Filtros para seleccionar los canales en banda base
con un alto rechazo a la frecuencia de corte de 264
MHz
– Necesitan un sintetizador de frecuencia de banda
ágil
– Pureza del oscilador local
– Ganancia equilibrada entre los canales I y Q y
eficiencia en las fases en cuadratura del LO
23

24. Especificaciones del receptor para UWB-MBOA
Sensibilidad -83.6 a -72.6 dBm
NF 6-7 dB
Ganancia de
compresión a -18.56 dBm/-9 dBm
1dB/IIP3
Ruido de fase -100 dBc/Hz a 1 MHz
Ganancia tensión 84 dB
Total CAG 60 dB
24

25. Especificaciones del LNA
NF < 6 dB
IIP3 > -10 dBm
Ganancia 9 dB
Impedancia de
50 Ω
entrada
Impedancia de
50 Ω
salida
Aislamiento inverso 20 dB
Consumo de Menor
Potencia Posible
25

26. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2  Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
26

27. • LNA para UWB
– Amplificador Distribuido
V d
L oad O u tp u t
C d C d C d C d
L d /2 L d L d L d L d /2
D C B lo c k
B ia s T
B ia s T
L g/2 L g L g L g L g/2 D C B lo c k
In p u t L oad
V g
– Amplificador con Carga de Banda Ancha y Red de
Adaptación de Entrada V CC
C a rg a
(B A ) R FOUT
V B Q CAS2
R F IN R ed de
A d a p ta c ió n d e Q CAS1
E n tra d a
(B A )
27

28. • Amplificador de Banda Estrecha
V CC
S 21 N F
C a rg a
R F OUT
V B Q CAS2
f0 f0
S S
R F IN R ed D e
11 22
A d a p ta c ió n d e Q CAS1
E n tra d a
f0 f0
28

29. • Amplificador de Banda Estrecha
V CC
L C
R FOUT
V B Q CAS2
Lb
R F IN Q C π Le
CAS1
Le R = ω T ·L e
29

30. • Amplificador de Banda Ancha
V CC
C a rg a S 21 N F
(B A ) RF OUT
V B Q CAS2
f1 f2 f1 f2
RF IN
R ed de S 11 S 22
A d a p ta c ió n d e Q CAS1
E n tra d a
(B A )
f1 f2 f1 f2
30

31. • Red de Adaptación de Entrada
V CC
C a rg a
(B A ) R FOUT
V B Q CAS2
R F IN R ed de
A d a p ta c ió n d e Q CAS1
E n tra d a
(B A )
31

32. • Red de Adaptación de Entrada
V CC
C a rg a
R FOUT
V B Q CAS2
C π Le
Q CAS1
R F IN
Lb C b Le R = ω T ·L e
32

33. • Carga
Shunt-peaking
Series-peaking
V C C Carga RC
L
R
C a rg a RR
V out
R F OUT L
VV o u t
out
C
V in
C C
V
V B Q C AS2
V in
in
Q C AS1
BWRC * 1.85
R F IN
BWRC * 1.41
L b C b L e
ω p = 11 // R CC
ω p= R ω
ω
ω p = 1 /R C ω
33

34. • LNA para UWB
V CC
L O U T
R O U T
R F OUT
V B Q C AS2
Q C AS1
R F IN
L b C b Le
34

35. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
 Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
35

36. ● Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
36

37. • Componentes activos y pasivos
37

38. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 μm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
 Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
38

39. • Diseño a nivel de esquemático
Configuración apropiada
del LNA
Polarización óptima y
dimensionado de
los transistores
Adaptación de entrada
y de salida
Verificación y optimización
de resultados
39

40. • Configuración apropiada del LNA
V C C
V CC
L O U T L C
R C
R O U T
Q
R F OUT
3
C O U T
RF
Q
O U T
V V B IA S 2
B CAS2 Q 2
L O U T
R B
C B
Q CAS1
R F IN
L V B IA S1
b C b L L B
Q 1
e C 1 C 2
L E
C IN
RF IN
40

41. • Polarización óptima de los transistores
V CC
LC
R C
Q 3
C O U T
RF O U T
V B IA S 2 Q 2
L O U T
R B
C B
V B IA S 1
Q
L B
1
Averiguamos la dI=I/A para mínimo ruido realizando barrido de Ic
C 1 C 2
L E
C IN
dI = Cte
RF IN
Variamos el tamaño y polarización del transistor para que
Ropt= 50 Ω (resistencia para mínimo ruido)
41

42. • Adaptación de entrada
V CC
L C
R C
Q 3
C O U T
RF O U T
V B IA S 2 Q 2
L O U T
R B Zb
C B Zb
Q 1
R C 2 L2
V B IA S 1
Q
L B
1
V S L1 C 1 R LE
C 1 C 2
L E
C IN
RF IN
42

43. • Adaptación de entrada (II)
Z b
R C 2 L 2
V S L 1 C 1 R
C 2
L 2
R 1 L 1 C 1
R 1
L1 ≈ & C2 ≈ L2 ≈ & C1 ≈
ωL ωL R ωU ωU R
ωL ωL ωU ωU
43

44. Adaptación de salida y Buffer
V C C
L C
R C
Q 3
C O U T
RF O U T
V B IA S 2 Q 2
L O U T
R B
C B
V B IA S 1
Q 1
L B
C 1 C 2
L E
C IN
RF IN
44

45. • Cálculo de Componentes Inductivos
Software Imodel
45

46. • Cálculo de Componentes Inductivos
Integración de Imodel con ADS
46

47. • Cálculo de Componentes Inductivos (II)
Resultados
47

48. • Resultados
48

49. • Resultados (Cont.)
49

50. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
 Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
50

51. • Diseño a nivel de layout
51

52. Simulaciones Post-Layout
15
12 NF Esquematico
NF Typical Case
10 NF Worst Case
11
5 10
S21(dB)
9
NF(dB)
0
8
-5
7
-10
6
S21esquematico
S21TypicalCase 5
-15
S21WorstCase
4
2 4 6 8 10
2 4 6 8 10
Frequency (GHz)
Frecuencia (GHz)
52

53. Simulaciones Post-Layout (II)
S11esquematico 0
S22esquematico
0 S11TypicalCase S22TypicalCase
S11WorstCase S22WorstCase
-1
-5
-10 -2
S11(dB)
S22(dB)
-15 -3
-20
-4
-25
-5
-30
2 4 6 8 10 2 4 6 8 10
Frequency (GHz) Frequency (Hz)
53

54. Simulaciones Post-Layout (III)
-20
-30
-40
S12(dB)
-50
-60
-70
S12esquematico
-80
S12TypicalCase
S12WorstCase
-90
2 4 6 8 10
Frequency (Hz)
54

55. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
 Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
55

56. • Medidas
Calibración
V N A
R F W IR E R F W IR E
D C -B L O C K S
G
G
PR O B EG SG
PR O B EG SG
S
S
G
G
C a lib ra tio n S u b s tra te
56

57. • Run de Fabricación
57

58. • Fotografía del Chip
58

59. • Medidas
V N A
R F W IR E R F W IR E
Set-up de medidas P O W E R S U P P L Y
D C W IR E D C -B L O C K S
V B IA S 2
P R O B E G S G
G N D V B IA S 2 G N D
G N D
G N D
P R O B EG S G
P R O B EG S G
O U T
A m p lifie r
IN
G N D
G N D
V B IA S 1 G N D V C C
P R O B E S G S
D C W IR E D C W IR E
V B IA S 1 V C C (3 .3 V )
P O W E R S U P P L Y
59

60. • Medidas
Set-up de medidas
60

61. • Medidas
61

62. • Medidas
62

63. • Resultados (I)
15
-20
10 -30
-40
5
S12(dB)
S21(dB)
-50
0 -60
-70 S12esquematico
-5 S21esquematico S12TypicalCase
S21TypicalCase -80 S12WorstCase
S21WorstCase
oooo S12 Measurements
ooooooo S21Measurements
-10 -90
2 4 6 8 10 2 4 6 8 10
Frequency (GHz) Frequency (Hz)
63

64. • Resultados (II)
0 0
-10
S22(dB)
S11(dB)
-20
-5
-30
S11esquematico
S11TypicalCase
S11WorstCase S22esquematico
***** S11 Medidas S22TypicalCase
-40 S22WorstCase
******* S22 Measurements
-10
2 4 6 8 10 2 4 6 8 10
Frequency (GHz) Frequency (Hz)
64

65. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
 Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
65

66. • Conclusiones
Figura de Mérito
 P dB  1  BW 
FOM =  1
P 
 P 
 f 

 NOISE  DC  T 
66

67. Estudio Comparado
PDC
TIPO Ganancia BW NF P1dB fT
Referencia Núcleo Tecnología FOM
(*) (dB) (GHz) (dB) (dBm) (GHz)
(mW)
CMOS
[42] DA 13,7 6,9 2,4 4,7 15,4 35 13689,32
(0.25 µm)
SiGe
[41] BA 21 10 2,5 5,86 90 30 53594,11
(0.18 µm)
CMOS
[43] DA 12,2 6 5,1 -3 43,5 35 9190,45
(0.18 µm)
CMOS
[8] BA 9,3 6,9 4 -16,3 50 9 4201,06
(0.18 µm)
SiGe
[31] BA 12 15 3 -7,6 50 23,76 17337,94
(0.5 µm)
SiGe
Este trabajo BA 11,6 8,5 5,5 -0,264 70 12 46394,07
(0.35 µm)
67

68. • Conclusiones
- Se ha diseñado, fabricado y medido un LNA de UWB en
tecnología SiGe 0,35 μm que cubre la banda correspondientes
a los modos 1 y 2 .
- La tecnología SiGe 0.35 μm es apta para el diseño de
componentes analógicos de radiofrecuencia.
- Los objetivos inicialmente planteados se han logrado de
forma satisfactoria.
- Línea de investigación de más envergadura en la que se
desarrollan varios proyectos de investigación.
68

69. • Conclusiones
- Publicaciones en congresos internacionales:
- H. García, R. Pulido, J. del Pino, S. L. Khemchandani, A. Goñi, A.
Hernández, “A 3-10 GHz SiGe LNA for Ultrawideband Applications ”,
XXI Conference on Design of Circuits and Integrated Systems DCIS
2006.
- H. García, R. Pulido, J. del Pino, S. L. Khemchandani, A. Goñi, A.
Hernández , “A 3-10 GHz Ultrawideband SiGe LNA with Wideband LC
Matching Network”, SPIE VLSI Circuits and Systems 2007.
- Las técnicas desarrolladas en este trabajo se están
aplicando en otras estructuras como: LNA doblado, LNA
sintonizado múltiple, LNA realimentado, etc.
69

70. • Estructura del Proyecto
 Introducción
 Objetivos
Bloque 1  Estándar IEEE 802.15.3a
 Características de los LNAs
 Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
 Diseño a nivel de layout
 Medidas
 Conclusiones
Bloque 3
 Presupuesto
70

71. • Presupuesto
Descripción Gastos
Costes de recursos
241,41€
humanos
Costes de ingeniería 29.696,00€
Costes de amortización 204€
Costes de fabricación 2259€
Otros costes 151,00€
PRESUPUESTO FINAL 32551,41€
I.G.I.C (5%) 1627,57€
71

72. Diseño de un amplificador de bajo ruido
(LNA) para el estándar inalámbrico UWB en
tecnología SiGe 0.35 μm
Autor: Jesús Rubén Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino Suárez
ETSIT Ingeniería Electrónica Cotutora: Amaya Goñi Iturri
ULPGC Mayo de 2007
Proyecto Fin de Carrera
72