Diseño de un LNA Multibanda Integrado con Carga Sintonizable y Adaptación de Entrada de Banda Ancha

Diseño de un LNA multibanda integrado
con carga sintonizable y adaptación de
entrada de banda ancha

EUITT Sistemas Electrónicos Autor: Gustavo Alexis Pérez Ruiz
Tutor: Francisco Javier del Pino Suárez Fecha: Junio 2008
Cotutor: Sunil Lalchand Khemchandani

PROYECTO FIN DE CARRERA

Índice
 Introducción
 Objetivos
BLOQUE 1  Estudio de los principales estándares
para terminales móviles
 LNAs Multibanda
 Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
 Diseño a nivel de esquemático
 Diseño a nivel de layout
BLOQUE 2
 Medidas

 Conclusiones
BLOQUE 3  Presupuesto
Junio 2008 Gustavo Alexis Pérez Ruiz

Introducción
Lograr que tanto las comunicaciones inalámbricas como móviles funcionen en
un mismo dispositivo para ofrecer múltiples aplicaciones y servicios


Introducción
El factor que permite esta evolución es la disponibilidad de terminales
multiestándar

-Uso de receptores Cero-IF


Objetivos
 Diseño de un LNA multibanda integrado con
carga sintonizable y adaptación de entrada de
banda ancha, en tecnología SiGe 0,35µm de AMS

 Verificación de la validez de la tecnología
empleada en la implementación de dicho LNA


Estudio de los principales estándares para
terminales móviles

 Características de los sistemas de RF

 Principales estándares usados para terminales
móviles


terminales móviles
► Características de los sistemas de RF
 Ganancia

 Figura de ruido (NF)

 Punto de intercepción de tercer orden (IP3)

 Coeficiente de onda estacionario (VSWR)


terminales móviles
 Características de los sistemas de RF
 Ganancia

La ganancia de un circuito determina la relación entre las amplitudes
de la señal de salida y la señal de entrada.

Vsalida  Vsalida 
G= G (dB ) = 20 log
V 

V entrada  entrada 


terminales móviles
 Figura de ruido (NF)

PNI PNO
GA

PNI = k · T · B GA=PSO/PSI
PN 0 PS i / PN i SNRi
F= NF = =
P Ni ⋅G A PS 0 / PN 0 SNR0


terminales móviles
 Figura de ruido (NF) (cont.)

GA1 GA2
NF1 NF2

F2 −1
Para varias etapas en cascada F = F1 +
G A1


terminales móviles

 Punto de intercepción de Tercer Orden

Señal deseada

ω ω
ω1 ω2 2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω1+ω2


terminales móviles
POUT
 Características de los sistemas de RF (dBm)
OIP3 Potencia de la
Punto de intercepción señal principal

L1
de Tercer Orden (cont)
∆P Potencia de IM
(IIM3)

L2 ∆P/2
PIN
2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω +ω
1 2 IIP3 (dBm)

ω1
ω2


terminales móviles

 Coeficiente de onda estacionario (VSWR)
Indica una medida cuantitativa de la adaptación tanto
en la entrada como en la salida del circuito.
X=1

0.5 2

Z L − Z 0 VSWR − 1
| ΓL |= =
Z L + Z 0 VSWR + 1
0.5 2
1

-0.5
Junio 2008 Gustavo Alexis Pérez Ruiz -2

Principales estándares usados para
terminales móviles
 GSM

 UMTS

 Estándar 802.11a/b/g


terminales móviles
 GSM
– Compuesta por tres subsistemas (E-GSM,
DCS, PCS)


terminales móviles
 GSM características

E-GSM, DCS, PCS

Modulación Gausiana-MSK
[10] Massimo Brandolini at all.
Ancho de banda 200 kHz
de canal Ganancia NF IIP3
Bit rate 270 kb/s
LNA 23dB 3dB -5dBm


terminales móviles

 UMTS

– Provee de voz y servicios de información
– Usa acceso múltiple por división de códigos de
banda ancha (WCDMA)
– Banda de transmisión situada entre 1920-1980 MHz
– Banda de recepción situada entre 2110-2170 MHz


terminales móviles
 UMTS características


Ganancia NF IIP3

LNA 18dB 3dB 0dBm


terminales móviles
Velocidad 54 Mbps
802.11a
Frecuencia 5GHz

Velocidad 11 Mbps
802.11b
Frecuencia 2.4 GHz

Velocidad 54 Mbps
802.11g
Frecuencia 2.4 GHz


terminales móviles

Ganancia NF IIP3

LNA 18dB 3dB -15dBm


terminales móviles
 Especificaciones

Ganancia NF P1dB Frecuencia a la
IIP3
que opera

802.11a/b/g 18dB 3dB -15dBm -5dBm900 MHz
GSM 1.8GHz
1.9GHz
GSM 23dB 3dB -15dBm -5dBm

UMTS 2GHz
UMTS 18dB 3dB -10dBm 0dBm

2.4GHz
LNA 802.11a/b/g
18-23dB 3dB -10dBm 0dBm 5GHz
Multibanda


LNAs Multibanda

 Topologías LNAs Multibanda

 Consideraciones de banda ancha

 Estructuras propuestas


LNAs Multibanda

► Emisor común

► Cascodo


LNAs Multibanda
► Emisor común


LNAs Multibanda
► Cascodo
V D D

L c

R R EF

V O U T

Q 2
C L

R 2 R B IA S L b
Q 3 Q 1

C

R S

L e
+
V in

-


LNAs Multibanda

► Adaptación de entrada de banda ancha

► Carga de banda ancha


LNAs Multibanda
Filtros en escalera o ladder filters

L = R /ω 0

Z IN C = 1 /ω 0 R R


LNAs Multibanda
 s   s   ω0 
Si trasladamos el filtro paso bajo  ⇒  + 
ω  ω   s 
 0  0

Z b
Z b

Q 1

R C 2 L E

V S L b C b R L E


LNAs Multibanda
• Carga RC

R C
V out R

V out
C
V in Z O U T

BW RC = 1 /R C ω


LNAs Multibanda
• Series-peaking
L

R
L V out Z O U T

R
C Mejora BWRC* 1.41
C
V in
V out


LNAs Multibanda
• Shunt-peaking
L

R Z L
Mejora BWRC* 1.85
O U T
V out C

R
C
V in V out


LNAs Multibanda
• Shunt-series-peaking
L sh u nt
Z O UT
L s e r ie s

R
L s e r ie s V out L shunt
C

R
C
V in V out


LNAs Multibanda
V C C

L C

R C

Q 3

C O U T

Estructura LNA1
R F O U T
V B IA S2 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

R F IN


LNAs Multibanda
V C C

Estructura LNA2 L1 C 1 L2 C 2 L3 C 3 L4 C 4

V 9 0 0 V 18 0 0 V 2 4 0 0 V 5 0 0 0

L1 C 1

Q 3

C O U T
R F O U T
V B IA S 2 Q 2
L O U T

R B
C B

C 2
C 1 L 1
V B IA S 1
Q 1
L B
C 1 C 2

L 2 L E
O N / O F F

O N /O F F
C IN

R F IN


Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS

4 metales y 2 polys
Thick Metal
Elementos pasivos
Transistores Bipolares
Transistores MOSFET


Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS


Diseño a nivel de
esquemático
Especificaciones

Polarización del LNA

Adaptación de entrada y salida

Simulación y resultados obtenidos


Diseño a nivel de esquemático
 Especificaciones

Ganancia NF P1dB Frecuencia a la
IIP3
que opera

802.11a/b/g 18dB 3dB -15dBm -5dBm900 MHz
GSM 1.8GHz
1.9GHz
GSM 23dB 3dB -15dBm -5dBm

UMTS 2GHz
UMTS 18dB 3dB -10dBm 0dBm

2.4GHz
LNA 802.11a/b/g
18-23dB 3dB -10dBm 0dBm 5GHz
Multibanda


 Polarización del LNA
 Obtener mínima NF y máxima ganancia

2 0
.5
m 2
2 8
.4
ip l0 0
o .0 2
=
2 6
.4 p t sN m , S .ip l .3 8
l_v( F in P o =2 9
o )
F in

f q .0 0 0 G z
r =3 0 0 0 H
e
Nm

2 4
.4
2mA
2 2
.4
m2 J opt = = 0,2mA / µm 2
2 0
.4 10µm 2

2 8
.3
0 00

0 02

0 04

0 06

0 08

0 00

0 02

0 04

0 06

0 08

0 00
.0 1

.0 2

.0 2
.0 1

.0 1

.0 1

.0 1

.0 2

.0 2

.0 2

.0 3
ip l
o


Diseño a nivel de
esquemático
 Adaptación de entrada y salida
 Igual para los dos modelos de LNAs a diseñar
V D D

C arga

M 2

M 1 L O U T
RF O U T

RF IN
L E

V b ia s


Adaptación de entrada

Z b
Z b 1 R
Q Lb ≈ ; LE ≈
ωL ωu
1

Resultado simulación π
R C L E

adaptación entdada 1 1
V L b C R Cπ ≈ ; Cb ≈
L
ωL ⋅ R ωU R
S b
E


Adaptación de salida
 Carga LNA1
LNA2

L

R L1 Z O U T LC 1
V out C

R
C
V in V out

V900


Adaptación de salida

- .5
0 - .5
0

- .0
1 m7 - .0
1
m5
f q2 0G z
r = .5 0 H
e f q2 0G z
r = .5 0 H
e

d ( ( ,2)
d ( ( ,2)

BS2 )
BS2 )

d ( ( ,2) 1 4
BS2 )=- .9 2 - .5
1
d ( ( ,2) 2 5
BS2 )=- .3 8
- .5
1
m7 - .0
2
m5
- .0
2
- .5
2

- .5
2 - .0
3
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

f qG z
r , H
e f qG z
r , H
e


 Simulación y resultados obtenidos
Estructura LNA1 Estructura LNA2
V V C C
C C

L 1 C 1 L 2 C 2 L3 C 3 L4 C 4
L C

R C
V 9 0 0 V 1 8 0 0 V 2 4 0 0 V 5 0 0 0

Q 3

C O U T
R F O U T
V B IA S2 Q 2
L O U T

Q 3

R B C O U T
R F
C B
V B IA S2
O U T
Q 2
L O U T

R B
C B

V B IA S1
Q 1
L B
C 1 C 2
V B IA S1
Q 1
L E L B
C 1 C 2

L E

C IN
C IN

R F IN R F IN


 Simulación LNA1 con bobinas ideales

50

0

Vo eu d
tn fn
Vo e
tn
-0
5

-0
10

-5
10
-0 -5 -0 -5 -0 -5 -0 -5 -0
5 4 4 3 3 2 2 1 1 -5 0

P wr F
o e_R


 Simulación LNA1 con bobinas reales


 Simulación LNA2 con bobinas ideales
 Switch V900  Switch V1800



 Simulación LNA2 con bobinas reales


Junio 2008
Gustavo Alexis Pérez Ruiz

 Simulación LNA2 (Medida IP3)


Diseño a nivel de Layout

 Layout del LNA1

 Layout del LNA2


 Layout del LNA1


Junio 2008
os a e ( ,2)
r C s ..S2 )
t d ( os a e ( ,1)
BW r C s ..S1 )
t d ( os a e ( ,2)
BW r C s ..S1 )
t
( y ic l ( ,2)
Tp a ..S2 ) d ( y ic l ( ,1)
BT p a ..S1 ) d ( y ic l ( ,2)
BT p a ..S1 )
q e a o ( ,2)
u m t ..S2 )
ic d ( s u m to ( ,1)
BE q e a ..S1 )
ic d ( s u m to ( ,2)
BE q e a ..S1 )
ic

-
-
-
-
1
1
1
1
1

2
1
1

3
2
1
0
2
4
6
8

4
6
8

5

-0
-5
-0
0
0

0
 Layout

1
1

2
2

e
e
3

3

r , H
r , H

f qG z
f qG z
4

4
5
5
del LNA1

6

6
d ( os a e ( ,1)
BW r C s ..S2 )
t d ( os a e ( ,1)
BW r C s ..S1 )
t
d ( os a e ( ,2)
BW r C s ..S2 )
t d ( os a e
BW r C s ..
t
d ( y ic l ( ,1)
BT p a ..S2 ) d ( y ic l ( ,1)
BT p a ..S1 )
d ( y ic l ( ,2)
BT p a ..S2 ) d ( y ic l (
BT p a ..S
d ( s u m to ( ,1)
BE q e a ..S2 )
ic d ( s u m to ( ,1)
BE q e a ..S1 )
ic
d ( s u m to ( ,2)
BE q e a ..S2 )
ic d ( s u m to
BE q e a ..ic
-
-
-
-
-
-
1
1
1

2
1
1

-4
-2
-0
8
6
4
5
4
3
2
1
4
6
8
0
2
4

-0
-5
-0
0

5

10
10
10
-0
-0
-0

Gustavo Alexis Pérez Ruiz
0
0

0

0
1
1
1

1

-○- Esquemático -∆- Typical case -×- Worst case
Simulaciones post-layout del LNA1

2
2
2

2
e
e
e

e
3
3

3

3
r , H
r , H
r , H

r , H
f qG z
f qG z
f qG z

fqG z

4
4

4

4
5
5
5

5
6
6

6

6

 Layout del LNA1
Simulaciones post-layout del LNA1

6,0
Esquemático
5,5 Typical case
Worst case
5,0

4,5
NF(dB)

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

0 1G 2G 3G 4G 5G 6G
Freq (GHz)


 Layout del LNA2


Diseño de un LNA Multibanda Integrado con Carga Sintonizable y Adaptación de Entrada de Banda Ancha

Diseño de un LNA Multibanda Integrado con Carga Sintonizable y Adaptación de Entrada de Banda Ancha

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Similar a Diseño de un LNA Multibanda Integrado con Carga Sintonizable y Adaptación de Entrada de Banda Ancha

Similar a Diseño de un LNA Multibanda Integrado con Carga Sintonizable y Adaptación de Entrada de Banda Ancha (20)

Más de RFIC-IUMA

Más de RFIC-IUMA (20)

Diseño de un LNA Multibanda Integrado con Carga Sintonizable y Adaptación de Entrada de Banda Ancha