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- 1. DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DISTRIBUIDO PARA ULTRA WIDE BAND BASADO EN HBT DE LA TECNOLOGÍA SIGE 0.35 µm DE AMS Titulación: Sistemas Electrónicos Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez Roberto Díaz Ortega Autor: Víctor Déniz González Fecha: Junio 2008
- 2. BLOQUE 2 DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE RF OBJETIVOS ESTANDAR IEEE 802.15.3a TEORIA DE LOS AMPLIFICADORES DISTRIBUIDOS TECNOLOGÍA S35D4 BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO Estructura
- 3. INTRODUCCIÓN
- 4. Clasificación redesinalámbricas Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Introducción BLOQUE1
- 5. FIJAS MMDS LMDS Microondas punto a punto Enlaces Ópticos MÓVILES WWAN WMAN WLAN WPAN Clasificación redesinalámbricas Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Introducción BLOQUE1
- 6. Clasificación redesinalámbricas Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Introducción BLOQUE1
- 7. Clasificación redesinalámbricas Banda ISM (2.45 GHz) 79 canales 1 MHz Velocidades de transmisión 2.1 Mbps Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Introducción BLOQUE1
- 8. Velocidades de transmisión de hasta 400-500 Mbps Banda de 3.1-10.6 GHz UltraBandaAncha(UWB) Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Introducción BLOQUE1
- 9. FCC (Federal Communications Commission) CB-UWB MBOA (Multiband OFDM Alliance) Espectro dividido de 3.1-10.6 GHz 14 bandas de 528 MHz Datos modulados QPSK-OFDM 128 Permite tasas de 53.3 a 480 Mb/s IR-UWB (Impulse Radio-UWB) CB-UWB (Carried Based-UWB) Generación de señales UWB UltraBandaAncha(UWB) Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Introducción BLOQUE1
- 10. UltraBandaAncha(UWB) Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Introducción BLOQUE1
- 11. OBJETIVOS
- 12. Objetivos Diseño de un LNA distribuido para ultra wide Band basado en HBT de la tecnología SiGe 0.35 µm de AMS Especificaciones del diseño Cuatro etapas Frecuencia de corte: 11 GHz Ganancia: 10 dB Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Objetivos BLOQUE1
- 13. SISTEMAS DERF
- 14. Ganancia(G) OUT IN V G V = 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: ( ) 20log( )G dB G= Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Sistemas de RF BLOQUE1
- 15. Factor deruido y Figuraderuido G Pno Pni El Factor de ruido viene dado por la expresión Considerando que G= Pso/Psi se obtiene que: Psi SNRiPniF Pso SNRo Pno = = Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Sistemas de RF BLOQUE1 Pno F Pni G = × 10log( )NF F=
- 16. Factor deruido y Figuraderuido (Cont) G1 NF1 G2 NF2 En varias etapas en cascada la figura de ruido viene dada por: 2 1 1 1 NF NF NF G − = + La primera etapa de un sistema de radiofrecuencia debe tener una baja figura de ruido y una alta ganancia Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Sistemas de RF BLOQUE1
- 17. Punto deintercepción detercer orden En la salida de los sistemas no lineales aparecen términos armónicos de la señal de entrada que siguen la ley mw1±nw2 w1 w2 w 2w1-w2 w1 w2 2w1+w2 w Los productos de intermodulación de tercer orden son los más peligrosos porque pueden solaparse a la señal deseada Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Sistemas de RF BLOQUE1
- 18. Punto deintercepción detercer orden El IP3 determina la degradación de la señal debido a los productos de intermodulación Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Sistemas de RF BLOQUE1 ω1 ω2 2ω1-ω2 2ω1+ω2 ∆P ∆P/2 L1 L2 Potencia de la señal principal Potencia de IM (IIM3) IIP3 OIP3 PIN (dBm) POUT (dBm) ω1ω2 IP3
- 19. Coeficientedeondaestacionaria(vswr) Medida cuantitativa de la adaptación del circuito a la entrada (VSWR1) o a la salida (VSWR2) 0 0 1 | | 1 L L L Z Z VSWR Z Z VSWR − − Γ = = + + La forma más usual representarlo es sobre la carta de Smith Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Sistemas de RF BLOQUE1
- 21. Característicasdel estándar IEEE 802.15.3a Propuesta por la MBOA Espectro de 3.1-10.6 GHz En 14 bandas de 528 MHz Modulación QPSK-OFDM 128 Tasa de datos de 53.3-480 Mbps Frecuencia central de la banda = 2904+528 *nb, nb=1…14 (MHz) Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Estándar IEEE 802.15.3a BLOQUE1
- 22. Característicasdel estándar IEEE 802.15.3a Especificaciones del receptor para UWB-MBOA Estructura del receptor zero-IF Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Estándar IEEE 802.15.3a BLOQUE1
- 23. Característicasdel estándar IEEE 802.15.3a Desafíos en el diseño de receptores de MB-OFDM Adaptación de la impedancia a la entrada de banda ancha Señales bloqueantes Mejor Linealidad Filtros con un alto rechazo a la frecuencia de corte de 264 MHz Sintetizador de frecuencia de banda ancha ágil para toda la banda Ganancia equilibrada entre los canales I y Q y eficiencia en las fases en cuadratura Pureza del OL Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Estándar IEEE 802.15.3a BLOQUE1
- 24. Característicasdel estándar IEEE 802.15.3a Especificaciones del receptor para UWB-MBOA Sensibilidad -83.6 a -72.6 dBm NF 6 – 7 dB Ganancia de compresión a 1 dB/IIP3 -18.56 / -9 dBm Ruido de fase -100 dBc/Hz a 1 MHz Ganancia de tensión 84 dB Total CAG 60 dB Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Estándar IEEE 802.15.3a BLOQUE1
- 26. Historiadelosamplificadoresdistribuidos 1937, Percival - Bajo ruido - Alta Ganancia - Frecuencia de corte MESFET - MOSFETACTUALIDAD 1948, Ginzton Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Teoría LNAs distribuidos BLOQUE1 - HBT
- 27. Estructuray funcionamiento delosa.d. Amplificador distribuido ideal 4 etapas Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Teoría LNAs distribuidos BLOQUE1 Línea de colector Línea de Base
- 28. Cálculo deloscomponentesen losa.d. Condición sincronización en fase Mismas capacidades en las líneas Bobinas de ambas líneas adaptadas Ganancia vendría dada por 2 2 2 1 / Nout in c V N gm L V C θ ω ω − × = × − l Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Teoría LNAs distribuidos BLOQUE1 Método de Staggering
- 29. Cálculo deloscomponentesen losa.d. Valores de inductancia y Capacidades de la línea de colector 1 cf LCπ = 0 L Z C = 2 0 c c L C Z = 2 1 ( )c c Lc C fπ = × × Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Teoría LNAs distribuidos BLOQUE1 Valores de inductancia y Capacidades de la línea de Base 0.7b cC C= × 0.7b cL L= ×
- 30. Figurademérito en losamplificadoresdistribuidos Parámetros estudiados Figura de mérito (FOM) Ganancia (G) Ancho de Banda (BW) Potencia consumida (Pdc) Figura de ruido (NF) Planitud (Flatness) Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Teoría LNAs distribuidos BLOQUE1
- 31. Figurademérito en losamplificadoresdistribuidos Planitud (Flatness) ( ) max( ) min( )Flatness dB G dB G dB= − G BW FOM NF Pdc Flatness × = × × Figura de Mérito resultante Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4 Teoría LNAs distribuidos BLOQUE1
- 32. TECNOLOGÍA S35D4
- 33. TECNOLOGÍA S35D4 DE AMS 3 metales + Thick Metal 2 Polisilicios Elementos pasivos Resistencias Condensadores Bobinas Transistores Bipolares Transistores MOSFET Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4Tecnología s35d4 BLOQUE1
- 34. W R t L ρ = × ρ= Resistividad del material t = Espesor del material W = Anchura de la pista L = Longitud de la pista RESISTENCIAS square W R R L = × Rpoly: Valores pequeños de resistencias Rpolyh: Valores elevados de resistencias Existen 2 tipos de resistencias Definiendo ρ /t como Rsquare: Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4Tecnología s35d4 BLOQUE1
- 35. CONDENSADORES Conductor 1 Conductor 2 Aislante d A '. .o A C d ε ε = ε’= Permitividad relativa del material εo = Permitividad del vacío A = Área de las placas del condensador d = Distancia ente las placas del condensador Existen 2 tipos de condensadores Cpoly: Pequeñas capacidades Cmim: Grandes capacidades Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4Tecnología s35d4 BLOQUE1
- 36. BOBINAS Realizadas en Thick Metal Factor de calidad bajo Se emplearon bobinas desarrolladas por el IUMA Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4Tecnología s35d4 BLOQUE1
- 37. TRANSISTORESMOSFETs Surtidor Puerta Drenador Fox Fox Fox Fox n+ n+ Pozo- p Surtidor Puerta Drenador p+ p+ Pozo-n Sustrato-p MOSFET en región de Saturación ( ) 2. . 2 n OX D GS T C W I V V L µ = − La tecnología dispone de transistores: PMOS : VT = 0.6V NMOS: VT = 0.46V Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4Tecnología s35d4 BLOQUE1
- 38. TRANSISTORESHBTDE SIGE La base presenta un espesor pequeño y se encuentra dopada gradualmente con germanio Los HBTs suministrados por la tecnología tienen unafT = 70 GHz Introducción Objetivos Sistemas RF Estandar IEEE 802.15.3a Teoría LNAs distribuidos Tecnología s35d4Tecnología s35d4 BLOQUE1 Emisor Base Colector
- 39. BLOQUE 1 BLOQUE 2 DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE RF OBJETIVOS ESTANDAR IEEE 802.15.3a TEORIA DE LOS AMPLIFICADORES DISTRIBUIDOS TECNOLOGÍA S35D4 BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO Estructura BLOQUE 2 DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
- 41. DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO Especificaciones del diseño Parámetro Valor Número de etapas 4 Frecuencia de corte 11 GHz Ganancia 10 dB Tensión de colector 3.3 V Tensión de base 1V Z0 50 Ω BiasT BiasT Input DCblock DCblock Vbase Output Vcolector C C5 L L5 L L7L L12 R R4 L L1 L L2 npn121 Q4 npn121 Q3 C C8 C=1.0pF C C7 R R3 L L11 L L10 L L9 L L8 R R2 C C6 R R1 L L6 L L4 L L3 cpoly C3 cpoly C4 cpoly C2 npn121 Q2 npn121 Q1 cpoly C1 Esquemático Inicial BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 42. CÁLCULOSDE LOSCOMPONENTESDEL DISEÑO Elementos inductivos de ambas líneas 1.59c bL L nH= = Valores Reales 1.46c bL L nH= = 0.73 2 2 c bL L nH= = BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático 1.15 2 2 c bL L nH= =
- 43. CÁLCULOSDE LOSCOMPONENTESDEL DISEÑO Elementos capacitivos de ambas líneas 200 100 c b C fF C fF = = BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 44. CÁLCULOSDE LOSCOMPONENTESDEL DISEÑO Determinación del Área Parámetros analizados Figura de ruido (Nf max, Nf min) Consumo de corrientes (Idc) Ganancia (Gmax) Área (μm²) Cc (fF) NFmax (dB) NFmin (dB) Idc (mA) Gfmax (dB) 4 200 10.13 8.085 13.6 6.749 5 200 9.871 7.670 16.8 7.397 6 200 9.812 7.341 19.90 7.717 7 200 9.908 7.058 22.80 7.835 8 150 10.13 6.747 25.70 7.819 9 150 11.034 6.44 28.50 7.710 10 150 11.44 6.225 31.1 7.601 11 150 11.91 6.037 33.7 7.375 12 200 12.44 5.873 36.20 7.031 13 300 13 5.727 38.6 6.571 14 300 13.607 5.597 41 6 15 300 14.242 5.481 43.2 5.348 16 300 14.912 5.377 45.4 4.618 17 250 15.621 5.284 47.6 3.833 18 250 16.378 5.21 49.7 3.011 BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 45. CÁLCULOSDE LOSCOMPONENTESDEL DISEÑO Determinación del Área Área NFmed Flatness NF Gmed Flatness Gain Consumo (mA) 4 8.801 2.04 9.708 4.991 13.6 5 8.404 2.201 10.809 5.828 16.8 6 8.152 2.472 11.587 6.632 19.9 7 7.996 2.859 12.151 7.393 22.8 8 7.911 3.383 12.565 8.112 25.7 9 8.022 4.593 12.876 8.725 28.5 10 8.023 5.22 13.136 9.301 31.1 11 8.059 5.88 13.330 9.916 33.7 12 8.125 6.568 13.470 10.588 36.2 13 8.216 7.279 13.565 11.325 38.6 14 8.327 8.010 13.622 12.128 41 15 8.454 8.761 13.646 12.99 43.2 16 8.595 9.535 13.643 13.897 45.4 17 8.748 10.337 13.616 14.837 47.6 18 8.910 11.178 13.57 15.797 49.7 BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 46. CÁLCULOSDE LOSCOMPONENTESDEL DISEÑO Componente Valor Lb =Lc 1.46 nH Lb /2=Lc /2 1.15 nH Cc 200 fF Cb 100 fF Área 5 µm² Resumen resultados obtenidos BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 47. REALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL ESQUEMÁTICO Esquemático sin pads ni bobinas reales L L11 R= L=Lc2H C C9 C=CbF npn121 Q4 area=5 npn121 Q3 area=5 npn121 Q2 area=5 npn121 Q1 area=5 Term Term1 Z=Z0 Num=1 L L19 R= L=Lb2H L RFC1 R= L=100.0nH L L20 R= L=Lc2H C C8 C=CcF C C7 C=CcF C C6 C=CcF C C5 C=CcF L L15 R= L=LbH L L16 R= L=LbH L L17 R= L=LbH L L18 R= L=Lb2H L L14 R= L=LcH L L13 R= L=LcH L L12 R= L=LcH V_DC SRC3 Vdc=vcolV V_DC SRC4 Vdc=vbase C C12 C=CbF C C11 C=CbF C C10 C=CbF R R1 R=50Ohm C C4 C=50pF L RFC R= L=100.0nH R R2 R=50Ohm C C3 C=50pF C C2 C=50pF C C1 C=50pF Term Term2 Z=Z0 Num=2 BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 48. REALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL ESQUEMÁTICO Ganancia directa 5 10 15 20 250 30 -60 -40 -20 0 -80 20 freq, GHz dB(S(2,1)) Figura de ruido 2 4 6 8 10 12 140 16 6 8 10 12 14 4 16 freq, GHz nf(2) Resultados esquemático sin pads ni bobinas reales BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 49. REALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL ESQUEMÁTICO Esquemático final con pads y bobinas reales Circuito equivalente bobina real BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 50. REALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL ESQUEMÁTICO Ls Rs Cp Cox Csub Rsub 948 pH 1.7 Ω 22.2 fF 61.4 fF 20.6 fF 883 Ω Ls Rs Cp Cox Csub Rsub 1.129 nH 1.8 Ω 7.13 fF 69 fF 19.88 fF 904 Ω Valores de bobina de 1.15 nH (L/2) Valores de bobina de 1.46 nH (L) BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 51. REALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL ESQUEMÁTICO Circuito equivalente de los pads BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 52. REALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL ESQUEMÁTICO Esquemático final C C10 C=CbF bobina X6 Csub=20.6f Rsub=883 Cox=61.4f Rs=1.7 Ls=948p Cp=22.2f 21 bobina X7 Csub=19.88f Rsub=904 Cox=69f Rs=1.8 Ls=1.129n Cp=7.13f 21 bobina X8 Csub=19.88f Rsub=904 Cox=69f Rs=1.8 Ls=1.129n Cp=7.13f 21 bobina X9 Csub=19.88f Rsub=904 Cox=69f Rs=1.8 Ls=1.129n Cp=7.13f 21 bobina X10 Csub=20.6f Rsub=883 Cox=61.4f Rs=1.7 Ls=948p Cp=22.2f 21 npn121 Q4 area=5 npn121 Q3 area=5 npn121 Q2 area=5 npn121 Q1 area=5 bobina X11 Csub=20.6f Rsub=883 Cox=61.4f Rs=1.7 Ls=948p Cp=22.2f 21 bobina X12 Csub=20.6f Rsub=883 Cox=61.4f Rs=1.7 Ls=948p Cp=22.2f 21 bobina X13 Csub=19.88f Rsub=904 Cox=69f Rs=1.8 Ls=1.129n Cp=7.13f 21 bobina X14 Csub=19.88f Rsub=904 Cox=69f Rs=1.8 Ls=1.129n Cp=7.13f 21 bobina X15 Csub=19.88f Rsub=904 Cox=69f Rs=1.8 Ls=1.129n Cp=7.13f 21 C C12 C=CbF L RFC1 R= L=100.0nH V_DC SRC4 Vdc=vbase pad X5 1 pad X3 1 pad X4 1 pad X2 1 Term Term1 Z=Z0 Num=1 C C8 C=CcF C C7 C=CcF C C6 C=CcF C C5 C=CcF V_DC SRC3 Vdc=vcolV C C9 C=CbF C C11 C=CbF R R1 R=50Ohm C C4 C=50pF L RFC R= L=100.0nH R R2 R=50Ohm C C3 C=50pF C C2 C=50pF C C1 C=50pF Term Term2 Z=Z0 Num=2 BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 53. REALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL ESQUEMÁTICO Efecto de los pads en el circuito Ganancia con pads 5 10 15 20 250 30 -80 -60 -40 -20 0 -100 20 freq, GHzdB(S(2,1)) fmin fmax fmin freq= dB(S(2,1))=13.225 3.100GHz fmax freq= dB(S(2,1))=7.398 10.60GHz Ganancia sin pads 5 10 15 20 250 30 -80 -60 -40 -20 0 -100 20 freq, GHz dB(S(2,1)) fmin fmax fmin freq= dB(S(2,1))=15.016 3.100GHz fmax freq= dB(S(2,1))=9.427 10.60GHz BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 54. REALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL ESQUEMÁTICO Efecto de los pads en el circuito Figura de ruido sin pads 5 10 15 20 250 30 20 40 60 80 0 100 freq, GHz nf(2) fmin fmax fmin freq= nf(2)=6.911 3.100GHz fmax freq= nf(2)=8.623 10.60GHz Figura de ruido con pads 5 10 15 20 250 30 20 40 60 80 0 100 freq, GHz nf(2) fmin fmax fmin freq= nf(2)=7.878 3.100GHz fmax freq= nf(2)=9.871 10.60GHz BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de Layout Diseño a nivel de esquemático
- 56. LAYOUTLNA DISTRIBUIDO BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de LayoutDiseño a nivel de Layout
- 57. LAYOUTLNA DISTRIBUIDO Pad de entrada Pad de salida BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de LayoutDiseño a nivel de Layout
- 58. Simulacionespost-layo ut Valores típicos Alta velocidad alta beta (biphs) Baja velocidad alta beta (biphb) Baja velocidad baja beta (biplb) Casos desfavorables BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de LayoutDiseño a nivel de Layout
- 59. typical mean BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de LayoutDiseño a nivel de Layout Ganancia 3.093 GHz,12.61 db 10.65 GHz,8.818 db Gmed= 10.714 dB Figura de ruido NFmed = 8 dB
- 60. Ganancia wo rst case BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de LayoutDiseño a nivel de Layout High speed high beta Typical mean Low speed high beta Low speed low beta
- 61. wo rst case Figura de ruido BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de LayoutDiseño a nivel de Layout High speed high beta Typical mean Low speed high beta Low speed low beta
- 62. GANANCIA FIGURA DE RUIDO (NF) SIMULACIÓN @ 3.1 GHz @ 10.6 GHz @ 3.1 GHz @ 10.6 GHz Typical mean 12.61 dB 8.818 dB 6.8 dB < 10 dB High speed High beta 14.39 dB 6.495 dB 5.6 dB >10 dB Low speed high beta 10.35 dB 6.669 dB 7.6 dB < 10 dB Low speed low beta 8.594 dB 5.655 dB 7.5 dB < 10 dB resumen desimulaciones BLOQUE2 Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de LayoutDiseño a nivel de Layout
- 63. BLOQUE 2 DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE RF OBJETIVOS ESTANDAR IEEE 802.15.3a TEORIA DE LOS AMPLIFICADORES DISTRIBUIDOS TECNOLOGÍA S35D4 BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO Estructura BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
- 64. CONCLUSIONES
- 65. Esquemático vsLayo ut LNA ESQUEMÁTICO LNA LAYOUT Ganancia max 13.225 dB 12.61 dB Ganancia media 12.086 dB 10.714 dB NF min 8.404 dB 7.6 dB Pdc 55.44 mW 57.09 mW BLOQUE3 Conclusiones Presupuesto Conclusiones
- 66. FIGURA DE MÉRITO Referencia Tecnología Ancho de banda (GHz) Ganancia (dB) Figura de ruido (dB) Pdc (mW) Flatness (dB) Figura de Mérito [22] (CMOS 0.6) 8.5 5.5 10.85 216 3 6.65 [16] (CMOS 0.6) 5.5 6.1 6.8 83.4 2.4 24.65 [23] (CMOS 0.35) 10.6 7 5 90 4 41.22 Nuestro diseño (SiGe 0.35) 10.6 10.714 7.6 57.09 3.79 69.06 [24] (CMOS 0.18) 11 16 4.6 100 5.4 70.85 [25] (CMOS 0.18) 27 6 6 68 4 99.26 BLOQUE3 Conclusiones Presupuesto Conclusiones
- 67. Amplificador distribuido HBT Tecnología SiGe 0.35 μm Ancho de banda 3.1-10.6 GHz Ganancia 10.714 dB Figura de ruido (NF) 7.6 dB Área del chip 0.734 mm2 Consumo de potencia 57.09 mW resumen deresultados BLOQUE3 Conclusiones Presupuesto Conclusiones
- 68. líneasfuturas Amplificador distribuido de 4 etapas cascodo BLOQUE3 Conclusiones Presupuesto Conclusiones
- 69. líneasfuturas Amplificador distribuido de 4 etapas en cascada BLOQUE3 Conclusiones Presupuesto Conclusiones
- 70. líneasfuturas Amplificador distribuido con etapa simple BLOQUE3 Conclusiones Presupuesto Conclusiones
- 71. PRESUPUESTO
- 72. Costes Total (€) Costes de herramientas software 106.21 Costes de equipos informáticos 288,12 Costes de fabricación 734 Costes de recursos humanos 34450 Subtotal 35578.33 IGIC (5%) 1778.91 PRESUPUESTO TOTAL 37357.24 presupuesto BLOQUE3 Conclusiones PresupuestoPresupuesto
- 73. DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DISTRIBUIDO PARA ULTRA WIDE BAND BASADO EN HBT DE LA TECNOLOGÍA SIGE 0.35 µm DE AMS Titulación: Sistemas Electrónicos Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez Roberto Díaz Ortega Autor: Víctor Déniz González Fecha: Junio 2008
Notas del editor
- Buenas tardes, voy a dar paso a la lectura del proyecto fin de carrera titulado ”Diseño de un amplificador distribuido para ultrawideband basado en hbt de la tecnología sige 0.35 micras de ams”
- El proyecto lo hemos estructurado en 3 bloques bien diferenciados, en el bloque uno veremos una breve introduccion para pasar a destacar las principales caracteristicas de los sistemas de rf, posteriormente se expondrán los objetivos de este proyecto para luego pasar el estandar ieee 801.15.3, terminaremos con la teoria de los amplificadores distribuidos y la tecnologia s35d4.En el bloque 2 veremos….
- En la actualidad las redes inalambricas van desde redes de voz y datos globales en las que los usuarios establecen conexiones a larga distancias a redes por infrarrojos o radio frecuencia de corta distancia, dispositivos como pdas,portatiles, relojes emplean en la actualidad este tipo de redes.
- Las redes inalambricas las podemos clasificar en fijas y moviles, dentro de las redes inalambricas fijas se encuentras las mmds,lmds,microondas punto a punto, enlaces opticos.En las redes inalambricas moviles nos encontramos con las wwan,wman,wlan,wpam.
- En esta figura se muestra una comparacion de la tasa binaria frente la movilidad. Donde destaca uwb con mayor tasa binaria y se encuentra enmarcado en las redes inalambricas de area personal.
- En la actualidad bluetooth es la tecnologia dominante en el mercado, debido a sus ventajas, trabaja en la banda ism a 2.45 GHz, su espectro se divide en 79 canales de 1 Mhz cada uno, y puede alcanzar velocidades de transmision de hasta 2.1 mbps, esta velocidad es insuficiente para las velocidades que demanda el mercado en la actualidad. Es por ello que aparece uwb… ISM:aplicaciones industriales cientifico- medicas
- Como dijimos anteriormente se encuentra enmarcada en las redes inalambricas de area personal, wpan, pudiendo alcanzar velocidades de transmision de 400 ó 500 Mbps, posee un ancho de banda de unos 11 GHz aproximadamente.
- Existen 2 métodos para la generacion de señales uwb: iruwb,cbuwb. La comision Federal de comunicaciones establecio que el metodo utilizado para la generacion de señales de uwb seria cbuwb. Existen varias propuestas para el estandar de uwb, pero nosotros nos hemos decantado por el desarrollado por la MBOA que dividio el espectro de 3.1 a 10.6 GHz, donde los datos seran modulados en qpsk-ofdm de 128 bits, existiendo 14 bandas de 528 MHz cada una y permitiendo alcanzar tasas binarias que van desde los 53.3 Mbps hasta los 480 Mbps.
- En la figura mostrada se presenta el diagrama de bloques de un sistema de uwb donde vemos el lugar que ocupa el diseño implementado en este proyecto, que nuestro amplificador se ecuentra despues de que la señal sea filtrada por el filtro inicial,y antes del mezclador.
- El objetivo principal de este proyecto es la implementacion de un amplificador de bajo ruido……..
- La ganacia de un circuito determina la relacion existente entre la señal a la salida y la de la entrada. Siendo su valor en db…..
- Se define como ruido toda señal interferente con la señal deseada, en un sistema aunque no haya señal a la entrada siempre aparece una pequeña señal a la salida, la cual se denomina potencia de ruido. Por lo tanto el factor de ruido se define como la potencia de ruido a la salida de nuestro circuito partido por la potencia de ruido a la entrada del mismo por la ganancia de éste. Considerando que G es la relacion existente entre la señal de la salida y la de entrada, deducimos que nuestro Factor de ruido total es el expresado por F=…… Normalmente en sistemas de RF se suele hablar de figura de ruido en lugar de factor de ruido que no es mas que la representacion en db de éste.
- En un sistema de varias etapas la figura de ruido total vendria dada por ……… donde se aprecia que la figura de ruido más contribuyente al ruido total del sistemas es el de la primera etapa.
- Este coeficiente esta relacionado con el coeficiente de reflexion (ЃL) , que indica una medida cuantitativa de la adaptacion del circuito a la entrada (VSWR1) o a la salida (VSWR2) Zl es la impedancia de carga y Zo es la impedancia de la linea de transmision. Por lo tanto si terminamos la linea de transmision con una impedancia igual a su impedancia caracteristica, el coeficiente de reflexion sera 0, o lo que es lo mismo VSWR=1
- Como mencionamos anteriormente la MBOA dividio el espectro de 3.1-10.6 GHz en 14 bandas de 528 MHz cada una, utilizando una modulacion qpsk-ofdm 128 bits.Permitiendo una tasa de datos de 53.3-480 Mbps. Se puede apreciar que la frecuencia central de las bandas vendra dada por 2904+528* nb, siendo nb el numero de la banda que va desde 1 a 14. Inicialmente las lineas de trabajo se encuentran centradas en la banda de frecuencias que va desde los 3.1 GHz hasta los 4.7 GHz, que son los pertenecientes al grupo 1, dejando de esta manera los grupos 2,3,4 y 5 para aplicaciones en el futuro.
- En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques de un receptor para uwb establecido por la mboa utilizando una estructura de zero-if. La señal proveniente de la antena, pasa por un filtrado inicial el cual reduce las interferencias fuera de la banda. El siguiente bloque seria un amplificador de bajo ruido presentado en este proyecto seguido de un mezclador en cuadratura que convierte a frecuencias intermedias nula. El sintetizador es el encargado de proporcionar las señales en cuadratura y los saltos de frecuencia del oscilador local. El filtro en banda base proporciona filtrados y ganancias variables. La señal en banda base es digitalizada por un conversor analogico digital que precede a un procesador digital en banda base.
- A la hora de implementar un receptor de MB-OFDM existen una serie de desafios que son necesarios solventar: Necesidad de una adaptacion de la impedancia de entrada de banda ancha, Se necesita un LNA capar de proporcionar una figura de ruido baja, una alta ganancia y un consumo de potencia bajo. Cuando recibimos en un canal, la señal de otros canales entran en el receptor y aparecen señales bloqueantes. Si conseguimos minimizar dichas señales mejorariamos la linealidad. Se necesita unos filtros con un alto rechazo a la frecuencia de corte de 264 MHz. Los receptores necesitan un sintetizador de frecuencia de banda ancha ágil, para toda la banda de 3.1-10.6 GHz Los sistemas de banda ancha emplean esquemas complejos de modulacion. Debido a la aglomeracion en la constelacion se necesita una ganancia equilibrada entre los canales I y Q y eficiencia en las fases en cuadratura del OL Al tener un ancho de banda grande,los armonicos del oscilador local puede enviar algun canal no deseado de uwb a la FI e interferir el canal no deseado. Por lo que se necesita una cierta pureza del OL.
- En la siguiente tabla se muestran las especificaciones de un receptor empleado en uwb…..
- El concepto de amplificacion distribuido tiene alrededore de 50 años, fue Ginzton el primero en ultilizar el termino de amplificacion distribuida en 1948, años despues se encontro dicho concepto en una patente por de Percival en 1937. Desde entonces se extendieron diversas topologias, inicialmente se emplearon MESFETS, debido a sui buenas caracterisiticas como son bajo ruido, alta ganancia y frecuencia de corte, aunque son mas caros,por lo que la tendencia es ir a tecnologias coste inferior,a mas economicas, donde basicamente todas las investigaciones e han centrado en implementarlos con MOSFETs, por lo tanto el objetivo de nuestro en este proyecto consiste en realizar el mismo tipo de amplificadores empleando transistores bipolares de heteroestructura disponible en la tecnologia de ams En la actualidad se estan empleando topologias que emplean MOSFET y HBT, como el desarrollado en este proyecto, conviertiendose ésta en una buena metodologia para el diseño de circuitos de RF y de ancha banda elevados, a un coste relativamente bajo.
- En la siguiente figura se muestra un amplificador distribuido que como novedad se ha realizado empleando transistores HBT en lugar de utilizar MOSFETS, debemos de ser capaces de modificar este circuito para que nos den los resultados esperados e incluso intentar que supere las prestacions de los implemantados con transistors MOSFETs. Señalar y explicar donde estan los puertos y explicarlos… Conceptualmente un amplificador distribuido…. Las etapas de ganancia se encuentran conectadas de forma que sus capacidades estan separadas…. Para separar las capacidades se emplean los elementos inductivos… Para generar el elemento capacitivo de la linea de puerta (en el caso de MOSFET, base en HBT) se utiliza... A medida que la señal de RF viaja por la linea de base… Si la velocidad de fase en ambas lineas son iguales, entonces la señal se ira amplificando y sumando en cuanto la señal se vaya desplazando a la salida. La naturaleza distribuida de las capacidades hace que el amplificador consiga un gran ancho de banda, sin embargo, debido al numero de etapas de transconductancia, el consumo de potencia suele ser mayor que cualquier LNA de una o 2 etapas… Decir el porque de las L/2 de ambas lineas 9.59
- Para el calculo de un diseño basico de 4 etapas tenemos que conseguir que las bobinas de la linea de base y colector esten adaptadas y que la capacidad de la linea de base sea igual a la de la linea de colector. En estas condiciones podriamos afirmas que las corrientes de salida y entrada estan sincronizadas en fase, por lo que la ganancia vendria dada por la siguiente expresion. Es evidente que existe una dependencia con la frecuencia, la cual podria causar un pico en la gananacia cerca dela frecuencia de corrte. Existen varios metodos para reducir este efecto indeseable. Uno de ellos es el metodo de Staggering descrito por Sarma que se define éste como la relacion entre la frecuencia de la linea de colector y la linea de base, mostrandose como valor optimo 0.7.
- Las figuras de merito nos permite comparar diversos diseños similares al nuestro en funcion de ciertoa paramnatros,los parametros estudiados en nuestra figura de merito son: Ganancia, ancho de banda, potencia consumida, factor de ruido, planitud (flatness)
- El flatness es un parámetro muy a tener en cuenta en este tipo de diseños ya que en la transmision de datos a alta velocidad es fundamental que la ganancia sea lo más plana posible para que no existan errores en la transmision. El flatness se define como la diferencia existente entre la ganancia maxima expresada en dbs y la ganancia minima en nuestra banda de interes que como ya dijimos va desde los 3.1 -10.6 GHz. Nuestra figura de merito quedaria de la siguiente manera…. Explicar que cuanto mas ganacia y mas ancho de banda tiene nuestro circuito mejor sera nuestra figura de merito, y cuando mayor sea el ruido, flatness y consumo peor sera nuestea figura de merito. Por lo tanto tenemos una figura de merito que resalta lo que tiene que ser bueno y penaliza lo que tiene que ser malo y eso nos va a servir para comparar nuestro diseño con otros de similar estructura.
- Este es el circuito del que partimos a la hora de diseñar nuestro amplificador distribuido cuyas especificaciones iniciales se muestran a continuacion: NOMBRAR HERRAMIENTAS
- Tras realizar diversas pruebas comprobamos que la tecnica de staggering no introduce mejoras significativas en nuestro diseño por lo que hemos decidido, ya que las frecuencias de corte e impedancia son iguales en ambas lineas, las bobinas tendran el mismo valor, siendo su valor teorico el mostrado. Los valores más cercanos a los teóricos que hemos encontrado son estos que posteriormente veremos que se ajustan perfectamente a nuestro diseño,alcanzando los objetivos impuestos anteriormente.
- Los elementos capacitivos los podemos determinar mediante la ecuacion, lo que ocurre es que ésta no tiene en cuenta los elementos parasitos de los transitores por lo que tenemos que hacerlo mediante simulacion para poder tener en cuenta todos los paramatros
- Decir que para cada valor de area se ha efectuado un barrido de cual seria el valor de condensador de ambas lineas optimo para obtener los mejores resultados. Luego de entre todos los valores de area tenemos que elegir cual sera la mejor, vemos que los valores de area de 4-8 son los que mejores resultados nos ofrecen
- En esta figura se muestra el layout resultante de nuestro amplificador,en donde en la parte superior se encuentran situadas las bobinas pertenecientes a la linea de colector, siendo los valores de las bobinas de entrada y terminacion de linea de 1.15 nH y el de las bobinas intermedias de 1.447 nH, de la misma manera de encuentran las bobinas de la linea de base con los mismos valores. Las Capacidades…. En la parte central del diseño se encuentran los transistores de las 4 etapas de ganancia siendo esta la vista detallada, donde se aprecia los terminales colector, base , emisor del mismo. En la parte central superior e inferior se encuentran situados los planos de masa, los cuales deben de estar conectados al sustrato.
- Proporciona un aislamiento entre lineas, los que se veria reflejado una mayor ganancia y ancho de banda, aunque una peor linealidad.
- Este tipo de estructura nos disminuiria el consumo de potencia asi como el área de nuestro circuito.
- Buenas tardes, voy a dar paso a la lectura del proyecto fin de carrera titulado ”Diseño de un amplificador distribuido para ultrawideband basado en hbt de la tecnología sige 0.35 micras de ams”