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Diseño de un Mezclador para un Receptor de UWB en Tecnología SiGe 0.35 de AMS
- 1. Escuela Universitaria de Ingeniería DISEÑO DE UN MEZCLADOR Técnica de Telecomunicación PARA UN RECEPTOR DE UWB EN TECNOLOGÍA SiGe 0.35 µM DE AMS PARA UN RECEPTOR DE UWB EN TECNOLOGÍA SiGe 0.35 µM DE AMS Tutor: Francisco Javier del Pino Suárez Autor: Adrián Jordán Montané Cotutor: Roberto Díaz Ortega Titulación: Sistemas Electrónicos Fecha: junio de 2008
- 2. Introducción Estructura de la memoria Objetivos Características de los sistemas de RF Bloque 1 Estándar IEEE 802.15.3a Teoría del mezclador Tecnología S35D4 Diseño a nivel de esquemático Bloque 2 Diseño a nivel de layout Conclusión Bloque 3 Presupuesto
- 3. Introducción
- 4. a Bloque 1 l Introducción á Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a m Teoría mezclador Tecnología S35D4 b ri c a s
- 5. d Bloque 1 e Introducción s Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a in Teoría mezclador Tecnología S35D4 al Fijas á m · MMDS br · LMDS ic · Microondas punto a punto a · Enlaces ópticos s Móviles · WWAN · WMAN · WLAN · WPAN
- 6. y Bloque 1 ta Introducción s Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a a Teoría mezclador Tecnología S35D4 bi n Tasa binaria ar Mb/s ia 400 UWB 802.15.3a 100 LAN 10 WLAN 802.11 WPAN 1 802.15 WMAN 802.16 Bluetooth, Zegbee Movilidad Estático Caminando Caminando Vehículo INTERIOR EXTERIOR
- 7. Bloque 1 Introducción Objetivos Bluetooth Características RF Estándar 802.15.3a Teoría mezclador Tecnología S35D4 · Opera en la ISM (2.45 GHz) · Velocidades de transmision de 2.1 Mbps en su versión 2.0
- 8. B Bloque 1 a Introducción Objetivos Características RF n Estándar 802.15.3a Teoría mezclador d Tecnología S35D4 ( U W B) · Banda de 3.1 a 10.6 GHz · Velocidades de transmisión de 400 - 500 Mbps
- 9. B Bloque 1 a Introducción Objetivos Características RF n Estándar 802.15.3a Teoría mezclador d Tecnología S35D4 ( U · Métodos de generación de señales de UWB W · IR-UWB B) · CB-UWB · Federal Communications Commission (FCC) · 802.15.3a basados en CB-UWB · Multiband OFDM Alliance (MBOA) · Espectro de 3.1 a 10.6 GHz · 14 bandas de 528 MHz · Modulación QPSK-OFDM 128 · Tasas de datos de 53.3 a 480 Mbps
- 10. B Bloque 1 a Introducción Objetivos Características RF n Estándar 802.15.3a Teoría mezclador d Tecnología S35D4 ( U · Diagrama Rx/Tx de UWB W B) LNA CAG Filtro FI CAD Antena Banda Filtro Inicial Interruptor (Paso Banda) RX/TX Sintetizador Base MAC AP Filtro FI CDA
- 11. et Bloque 1 iv Introducción o Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a s Teoría mezclador Tecnología S35D4 · Diseño de un mezclador simple balanceado con transistores bipolares de heteroestructura para un receptor de UWB (802.15.3a) en tecnología SiGe 0.35µm de AMS
- 12. Características de los sistemas de RF
- 13. n Bloque 1 ci Introducción a Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a ( Teoría mezclador Tecnología S35D4 G ) · La ganancia de un circuito determina la relación entre las amplitudes de la señal de salida y la de entrada · Siendo el valor de la ganancia en decibelios
- 14. )y Bloque 1 fig Introducción ur Objetivos Características RF a Estándar 802.15.3a Teoría mezclador de Tecnología S35D4 rui do Pni Pno G (N F) · El factor de ruido viene dado por la · En varias etapas en cascada la figura de expresión ruido viene dada por: G1 G2 F1 F2 · Considerando que Ga=Pso/Psi se obtiene:
- 15. p Bloque 1 ci Introducción Objetivos Características RF ó Estándar 802.15.3a Teoría mezclador n Tecnología S35D4 d · En unsalida de lineal la sistema los sistemas no lineales e aparecen términos armónicos de la señal de 3º entrada (mω1±nω2) or d e n ω1 ω2 2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1 · Los productos de intermodulación son los más peligrosos porque pueden solaparse con la señal deseada
- 16. p Bloque 1 ci Introducción Objetivos Características RF ó Estándar 802.15.3a Teoría mezclador n Tecnología S35D4 d · El IP3 determina la degradación de la e señal debido a los productos de 3º intermodulación or d e n
- 17. n Bloque 1 d Introducción Objetivos Características RF a Estándar 802.15.3a Teoría mezclador e Tecnología S35D4 st · Es una medida cuantitativa de la a adaptación del circuito a la entrada VSWR1 o ci a la salida VSWR2 o n ar ia · Representado en carta de Smith
- 19. s Bloque 1 d Introducción Objetivos Características RF el Estándar 802.15.3a Teoría mezclador e Tecnología S35D4 · Propuesta por la MBOA st · Espectro de 3.1 a 10.6 Ghz á · En 14 bandas de 528 Mhz n · Modulación QPSK-OFDM 128 d · Tasa de datos de 53.3 a 480 Mbps ar · Frecuencia central de la banda:
- 20. s Bloque 1 d Introducción Objetivos Características RF el Estándar 802.15.3a Teoría mezclador e Tecnología S35D4 st · Especificaciones del receptor para á UWB-MBOA n d · Estructura del receptor Zero-IF ar
- 21. s Bloque 1 d Introducción Objetivos Características RF el Estándar 802.15.3a Teoría mezclador e Tecnología S35D4 st · Desafíos en el diseño de receptores de MB- á OFDM n · Adaptación de la impedancia de entrada de banda ancha d · Minimizar el efecto de señales ar bloqueantes mejor linealidad · Filtros con alto rechazo a la frecuencia de corte (264 MHz) · Sintetizador de frecuencia de banda ancha ágil para toda la banda · Ganancia equilibrada entre I y Q, y eficiencia en las fases en cuadratura · Pureza del LO
- 22. s Bloque 1 d Introducción Objetivos Características RF el Estándar 802.15.3a Teoría mezclador e Tecnología S35D4 st á · Especificaciones del receptor UWB-MBOA n d Sensibilidad -83.6 a -72.6 dBm ar NF 6 - 7 dB Ganancia de compresión a 1 dB/IIP3 -18.56 dBm/-9 dBm Ruido de fase -100 dBc/Hz a 1 MHz Ganancia tensión 84 dB Total CAG 60 dB
- 24. fr Bloque 1 e Introducción Objetivos Características RF c Estándar 802.15.3a Teoría mezclador u Tecnología S35D4 e n · Traslada la señal presente ci en su entrada a un rango de Vrf VIF a frecuencias diferente sin s modificar las características de la señal Vlo
- 25. o Bloque 1 n Introducción v Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a er Teoría mezclador Tecnología S35D4 si ó I n di LNA 90º re ct Q a
- 26. d Bloque 1 el Introducción Objetivos Características RF m Estándar 802.15.3a Teoría mezclador e Tecnología S35D4 zc la Vrf VIF d or Vlo · Ganancia de conversión · Figura de ruido · Punto de intercepción de tercer orden · Rango dinámico · Aislamiento
- 27. m Bloque 1 e Introducción zc Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a la Teoría mezclador Tecnología S35D4 d ·· Basadosen no-linealidades Basados en multiplicadores or e · Mayor rendimiento Basados en multiplicadores s · Menor rendimiento · Usados para muy altas frecuencias
- 28. Tecnología S35D4
- 29. S Bloque 1 3 Introducción 5 Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a D Teoría mezclador Tecnología S35D4 4 d e · 4 metales A M · 2 Polisilicios S · Elementos pasivos · Transistores bipolares · Transistores MOSFET
- 30. e Bloque 1 n Introducción Objetivos Características RF ci Estándar 802.15.3a Teoría mezclador a Tecnología S35D4 s
- 31. n Bloque 1 s Introducción a Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a d Teoría mezclador Tecnología S35D4 or e s
- 32. bi Bloque 1 n Introducción a Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a s Teoría mezclador Tecnología S35D4 · Factor de calidad bajo · Se emplearon bobinas desarrolladas por el IUMA
- 33. e Bloque 1 s Introducción M Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a O Teoría mezclador Tecnología S35D4 S F E T
- 34. s Bloque 1 H Introducción B Objetivos Características RF Estándar 802.15.3a T Teoría mezclador Tecnología S35D4 d e Si G e · La base presenta un espesor pequeño y se encuentra dopada gradualmente con germanio · Los HBT suministrados por la tecnología tienen una fT = 70 GHz
- 35. Introducción Objetivos Características de los sistemas de RF Bloque 1 Estándar IEEE 802.15.3a Teoría del mezclador Tecnología S35D4 Diseño a nivel de esquemático Bloque 2 Diseño a nivel de layout Conclusión Bloque 3 Presupuesto
- 36. d Bloque 2 e Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout di s e Cálculos teóricos ñ o Polarización Adaptaciones Diseño a nivel de Ganancia esquemático en ADS Linealidad Figura de ruido Diseño del layout en Simulaciones Cadence post-layout
- 37. Diseño a nivel de esquemático
- 38. a Bloque 2 s Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout d el ci rc ui to
- 39. d Bloque 2 el Diseño del esquemático p Diseño a nivel de layout u er to d e R F
- 40. d Bloque 2 el Diseño del esquemático p Diseño a nivel de layout u er to d e L O
- 41. d Bloque 2 el Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout p u er · Buffer de salida en configuración to seguidor de emisor d e IF
- 42. e Bloque 2 c Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout o n v · En funciónde conversión obtenida a Ganancia de las tensiones de del la resistencia área de los er polarización Vfrfyyenlotoda la banda la frecuencia colector Rc transistores I V si ó n
- 43. ali Bloque 2 d Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout a d · IP3 para una potencia de entrada en función de la potencia de entrada de de RF fija RF OIP3 IIP3
- 44. y Bloque 2 a Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout c o pl · Figura de ruido a m ie nt o · Acoplamiento entre los puertos
- 45. e Bloque 2 m Diseño del esquemático e Diseño a nivel de layout di d a s
- 46. a Bloque 2 d Diseño del esquemático el Diseño a nivel de layout IU M A
- 47. m Bloque 2 át Diseño del esquemático ic Diseño a nivel de layout o fi Vcc n Vlo al Vbuff Lo If Rf Vrf
- 48. s Bloque 2 o Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout bt e ni d o s PARÁMETRO VALOR Ganancia de conversión (dB) 13.8 IIP3 (dBm) -13.6 OIP3 (dBm) -0.61 Figura de ruido (DSB) [SSB] (dB) 24.5 [27.9] Consumo de potencia [con buffer] (mW) 2.58 [28.78]
- 49. c COMPONENTES VALOR Bloque 2 o AREA Q,Q 1 2 0.8 µm Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout m TRANSISTORES Q 3 0.9 µm BIPOLARES p Q,Q 4 5 24 µm o R (R , R ) C 1 2 2600 Ω n R (R , R ) INLO 3 4 50 Ω RESISTENCIAS e R (R ) INRF 5 50 Ω nt R (R ) BUFF 6 616 Ω eBOBINAS L INRF 1 nH s CONDENSADOR C IN 500 fF
- 50. Diseño a nivel de layout
- 51. el Bloque 2 m Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout e zc la d or
- 52. m Bloque 2 ul Diseño del esquemático a Diseño a nivel de layout ci o n e s la y o ut
- 53. s Bloque 2 p Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout o st - la · Valores típicos (typical mean) y o · Casos desfavorables (worst case) ut · High speed high beta (biphs) · Low speed high beta (biphb) · Low speed low beta (biplb)
- 54. al Bloque 2 m Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout e a · Adaptacionesconversión Figura de de de Ganancia ruido los puertos n Lo (6.336 GHz, -10.52 dB) Rf(6.600 GHz, -72.41 dB) @ 8 GHz 26.3 dB PIf (264 MHz, -69.59 dB) @ 3 GHz 23.5 dB @ 4.2 GHz If (264 MHz, 22.5 dB 2.82 dB)
- 55. ns Bloque 2 io Diseño del esquemático ne Diseño a nivel de layout s de po · Typical mean lar iz Vrf=890mV, Vlo=2V, (8.4 dB) ac Vrf=890mV, Vlo=2.1V ió Vrf=890mV, Vlo=2.2V n Vrf=880mV, Vlo=2.2V
- 56. c Bloque 2 a Diseño del esquemático Diseño a nivel de layout s e · Ganancia ruido para cada caso Figura de de conversión para cada caso HSHB LSHB (6 GHz, 27.35 dB) TM HSHB (6 GHz, 24.91 dB) LSHB LSLB (6 GHz, 24.62 dB) TM (6 GHz, 18.84 dB) LSLB
- 57. d Bloque 2 e Diseño del esquemático re Diseño a nivel de layout s ul ta d VRF opt (V) VLO opt (V) G (dB) NF (dB) o Typical mean 0.89 2 8.4 18.8 s High speed high beta 0.88 2 10.5 24.9 Low speed high beta 0.89 2.1 9.7 27.3 Low speed low beta 0.90 2.2 0 24.6
- 58. Introducción Objetivos Características de los sistemas de RF Bloque 1 Estándar IEEE 802.15.3a Teoría del mezclador Tecnología S35D4 Diseño a nivel de esquemático Bloque 2 Diseño a nivel de layout Conclusión Bloque 3 Presupuesto
- 59. Conclusiones
- 60. n Bloque 3 ot Conclusión Presupuesto ro s m e Este PFC [21] [22] [23] [24] [25] zc Tecnología (µm) SiGe 0.35 CMOS 0.18 CMOS 0.18 CMOS 0.18 BiCMOS 0.18 CMOS 0.18 la RF frec (GHz) 6.6 4 1.32 2.45 2 5.8 d Tensión de 3.3 1.8 1.8 1.8 1.8 1.5 oralimentación (V) e Consumo de 3.82 8.1 11.5 - 12.06 6.89 potencia (mW) s IIP3 (dBm) -13.6* -0.78 11.25 -3.7 10 -2.94 Ganancia de 8.4 17.7 20.5 27 14 7 conversión (dB) Figura de ruido 5 12.5 14.3 18.8 5.6 9.5 (DSB) (dB) (SSB) (SSB) (SSB)
- 61. Presupuesto
- 62. u Bloque 3 e Conclusión st Presupuesto o fi n al COSTES TOTAL (€) Costes de recursos humanos 27027 Costes de herramientas de 106.21 software Costes de equipos informáticos 288.12 Otros costes 393.65 Subtotal 27814.98 I.G.I.C. (5%) 1390.74 PRESUPUESTO TOTAL 29205.73
- 63. Escuela Universitaria de Ingeniería DISEÑO DE UN MEZCLADOR Técnica de Telecomunicación PARA UN RECEPTOR DE UWB EN TECNOLOGÍA SiGe 0.35 µM DE AMS PARA UN RECEPTOR DE UWB EN TECNOLOGÍA SiGe 0.35 µM DE AMS Tutor: Francisco Javier del Pino Suárez Autor: Adrián Jordán Montané Cotutor: Roberto Díaz Ortega Titulación: Sistemas Electrónicos Fecha: junio de 2008
Notas del editor
- - Gracias - Lectura del pfc
- - En la actualidad las redes inalámbricas van desde redes de voz y datos globales que permiten establecer conexiones a través de largas distancias hasta las tecnologías de luz infrarroja y radiofrecuancia optimizadas para frecuencias cortas. - Entre los dispositivos comunmente utilizados tenemos...
- WPAN - Permiten conexiones inalámbricas para dispositivos que se utilizan dentro de un espacio operativo personal.
- - Hasta el momento B. es la tecno dominante en el mercado debido a sus ventajas, pues dispone de un protocolo de comunicaciones de área personal que integra una amplia variedad de dispositivos y permite una rápida interconexión y facilidad de uso. - Banda de aplicaciones industriales, científicas y médicas y ...
- - Esta velocidad es suficiente para muchas aplicaciones, pero no para lo que actualmente demanda el mercado. De ahí surge UWB con un ancho de banda...
- IR= señales de pulsos cortos que tx sin una portadora que las sustente CB= las que generan señales con técnicas con portadora
- - Este es el diagrama del cabezal de RF - Lugar que ocupa el mezclador que se desarrolla en este pfc (en la etapa de recepción) - Después del LNA y antes del control automático de G
- Pasamos a describir entonces las...
- - Comenzando por la ganancia, que determina... Que también podemos verla en dB - Cuando se trabaja con sist. de RF no se suele hablar en términos de V sino de pot y para medirla se utilizan los parametros S (S21)
- - En un sist. de RF incluso cuando no hay señal a la entrada, a la salida se puede medir una pequeña señal. A esta peq señal a la salida se le llama pot de ruido y nos dirá cuanto ruido introduce nuestro circuito al sistema. - Normalmente no se suele hablar de F sino de NF que ... y tamb se p expresar como la degradación señal a ruido al pasar por este bloque
- - Para medir la linealidad se suele utilizar el punto de intercep de 3º orden que es el punto donde coinciden la G de los tonos fundamentales con la G de los productos de intermodulaciòn
- - Por último tenemos el VSWR que está relacionado con el coef. de reflexión y nos ofrece una medida cuantitativa de la adaptación del circuito a la entrada o a la salida. Y eso nos dice si hay reflexión de potencia en los puertos y si el circuito está bien adaptado o no.
- 1 señal que llega a la antena -> filtro pasivo inicial para reducir las interferencias, 2º LNA y MIX amplifican y convierten a frec intermedias nulas, 3ºSintetizador proporciona las señales en cuadratura y saltos en frec del LO, 4º Filtro en banda base, 5º La señal en banda base se digitaliza
- - Los receptores de MB-OFDM comparados con los receptores de banda estrecha tienen una serie de nuevos desafíos: 5º Los sistemas de banda ancha usan esquemas complejos de modulación. Se necesita un ganancia equilibrada entre los canales I y Q y eficiencia en las fases en cuadratura. 6º Al tener un BW tan grande, los armónicos del LO pueden enviar algún canal no deseado a la frecuencia IF
- - La función del mix de frec es sumar o restar a la banda de frec de la señal de entrada · Vrf un valor de frec constante · que llamamos Vlo para obtener una señal centrada a la frec intermedia · If - El mix puede realizarse tanto para subir en frec...
- - Rango dinámico: es la diferencia entre los valores minimos y máximos de señal que se pueden aplicar a un sistema -> el min sería la NF y el max las no-linealidades de las grandes señales
- · no lineal : 1 ºmenor rendimiento xq la pot de la fuente la gastan... 2 ºaltas frec · multiplicadores : 1 ºla pot de la fuente sacan product de interés. 2 ºSimple 3 ºDoble
- Una vez vistas las principales características de los mezcladores entramos en la tecno...
- que nos ofrece...
- - El valor ohmnico de 1resistencia integrada depende ppalmente del valor de la resistividad del material y de las dimensiones. Ejemplo de layout...
- La implementación de C se reduce a la construcción de 1C plano empleando dos capas de metal separadas por una capa de material aislante. El valor de esta capacidad se expresa por esta ec siendo €’ la permitividad relativa del material y ... LAYOUT con anillo de guarda y contactos para terminales
- La tecno también incluye bobinas pero se optó por utilizar las desarrolladas por el IUMA por ofrecer un mayor factor de calidad. Ejemplo de L a nivel de layout
- Ofrecen tamb trt MOS. En la figura tenemos un corte esquemático de 2 trt MOS tipo n a izq y tipo P a la der. En el tipo n la fuente y el drenador estan formados por difusiones n
- Estos son npn bipolares en los que la base está formada por una capa muy estrecha de sige. Su funcionamiento es igual que los de homounión pero sus prestaciones son sup.
- - Estructura básica. Recuadro inf. se encuentra la etapa de RF compuesta por 1trt bipolar. Interesa que la G sea lo más elevada posible para compensar la atenuación inherente de... - La conmutación en el par diferencial debe ser instantanea pq sino el ruido aumenta pq ambos trt conducen - Parte superior RC
- - Config del puerto de rf. Mirándolo desde la izq vemos q a continuación del tono de entrada de la señal de rf se colocó un C de desacoplo para disminuir las variaciones en la tensión de polarización...
- La salida al trabajar con frec bajas no requiere adaptación pero para poder realizar las medidas del circuito se colocó.... y así bajar la elevada z de salida y poder atacar z pequeñas
- · A la izq si nos metemos a la entrada una señal a 6 GHz miramos la potencia que tenemos a la salida, justo en el borde superior del canal en 264 y vemos la potencia que hay -> G · Si hacemos esto para todas las frec de entrada...
- · Haciendo un barrido de la pot de entrada con sus dos tonos y viendo la pot a la salida obtenemos esta grafica comprobando que coincide, el OIP3 es de -0.6 y el IIP3
- Como es de esperar el acoplamiento entre el puerto de LO y la salida es grande -10db mientras que....