Diseño de un Mezclador para Televisión Digital Vía Satélite DVB-SH basado en Convertidores de Corriente en Tecnología CMOS 90 nm

Escuela de Ingeniería de Telecomunicación y Electrónica
Tutores: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
D. Hugo García Vázquez
Autor: D. Víctor David Pérez Pérez
Titulación: Ingeniería Técnica de
Telecomunicación, Sistemas Electrónicos
Fecha: Diciembre de 2012
Diseño de un Mezclador para Televisión
Digital Vía Satélite DVB-SH basado en
Convertidores de Corriente en Tecnología
CMOS 90 nm

ESTRUCTURA DEL PROYECTO
22
ANÁLISIS TEÓRICO DEL CIRCUITO:
• MEZCLADOR DE FRECUENCIAS
• CONVERTIDORES DE CORRIENTE
DISEÑO DEL CIRCUITO
INTEGRACIÓN EN EL RECEPTOR DE RF
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

33
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

INTRODUCCIÓN
4
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

INTRODUCCIÓN
5
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

INTRODUCCIÓN
6
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

77
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

OBJETIVOS
8
• Diseño de un Mezclador para Televisión Digital Vía Satélite DVB-SH
basado en Convertidores de Corriente en Tecnología CMOS 90 nm.
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH
TECNOLOGÍA UMC 90 nm

99
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

ESTÁNDAR DVB-SH
10
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH
• Sistema híbrido satélite/terrestre
• Proveer servicios multimedia a gran variedad de dispositivos:
- Portátiles
- Montados en vehículos
- Terminales fijos o estacionarios

ARQUITECTURA DEL SISTEMA
11
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH
• Componente satelital: para cubrir extensas áreas que no posean repetidores terrestres que
puedan dar cobertura al usuario.
• Componente terrestre: cobertura satelital no disponible (interiores o zonas rodeadas por
grandes edificios).

RANGO DE FRECUENCIAS
12
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

CATEGORÍA DE LOS RECEPTORES
13
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH
• CATEGORÍA 1: terminales montados en automóviles
• CATEGORÍA 2: dispositivos portátiles de TV
- Pantalla grande (>10”) alimentados mediante baterías o a través de la red eléctrica.
- De bolsillo (handheld) alimentados mediante baterías.
• CATEGORÍA 3: dispositivos de bolsillo con teléfono móvil/módem integrado

CATEGORÍA DE LOS RECEPTORES
14
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH
Arquitectura del Receptor de Categoría 3

ARQUITECTURA DEL RECEPTOR
15
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH
ESPECIFICACIONES DEL CABEZAL
DEL RECEPTOR DE RF
LNA
Mixer I
Pre-Select
Filter
Base Band
ADC
ADC
Base Band
Mixer Q
TO BASESBAND
PROCESSING
90º
Synthesizer
RF Front-End
DVB-SH Front-End
DVB-SH Implementation Guidelines
Arquitectura CERO-IF
Sensibilidad -112.55 dBm
Figura de Ruido 3 dB
Máxima Ganancia 92.55 dB
Rango Dinámico 86.05 dB
Máximo Nivel de
entrada
-25 dBm
CNR máximo 11.2 dB
BW del canal 8 MHz
IIP3 -0.17 dBm
ACS 60 dB

1616
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

1717
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

TEORÍA DE LOS MEZCLADORES
18
ANÁLISIS TEÓRICO DEL CIRCUITO
• El mezclador traslada la señal de entrada a un rango de frecuencias
diferente, sin modificar las características de la señal.
VLO
VLO
VRF VIF
• Los mezclador se clasifican según su rango de trabajo en:
- Up-conversion
- Down-conversion

• Ganancia de Conversiónde conversión
• Figura de ruido
• Linealidad
• Aislamiento
VLO
VRF VIF
PARÁMETROS DEL MEZCLADOR
19

• Basados en sistemas no-lineales
-Menor rendimiento.
-RF y LO no están aisladas.
-Elevado número de componentes
espectrales.
TIPOS DE MEZCLADORES
20

• Basados en multiplicadores
21
-Mezclador simple-balanceado
-Mezclador doble-balanceado
(Célula de Gilbert)

• Mezcladores pasivos con Amplificadores Operacionales
22
Vo R. ID1 ID2
Vo R. ID3 ID4
Vout Vo Vo R. ID1 ID2 ID3 ID4

23
• Mezcladores pasivos basados en Convertidores de Corriente

2424
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

CONVERTIDORES DE CORRIENTE
25
• Current Conveyor de primera generación
z
x
y
z
x
y
V
I
V
I
V
I
010
001
010
Nodos del CCI Nivel de impedancia
X Bajo (idealmente 0)
Y Bajo (idealmente 0)
Z Alto (idealmente )

26
• Modelos implementados con CCIs
Convertidor de V-I
(Transconductor)
Convertidor de I-V
(Transimpedancia)
Convertidor de impedancia
negativa diferencial

27
• Current Conveyor de segunda generación
Nodos del CCII Nivel de impedancia
X Bajo (idealmente 0)
Y Alto (idealmente )
Z Alto (idealmente )z
x
y
z
x
y
V
I
V
I
V
I
010
001
000

28
• Modelo ideal del CCII

29
• Modelo real del CCII

30
• Modelos implementados con CCIIs
Fuente de tensión controlada
por tensión
Fuente de corriente controlada
por corriente
Fuente de corriente controlada
por tensión
Fuente de tensión controlada
por corriente

31
• Amplificador de transimpedancia basado en CC
-Fuente de tensión controlada
por corriente (CCVS)
-Etapa de entrada asimétrica
-Etapa de salida clase AB

3232
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

TOPOLOGÍA DEL CIRCUITO
33
• Amplificador de transimpedancia basado en CC

DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMÁTICO
34
• Optimización de las tensiones de polarización
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
CG(dB)
Frecuencia de RF (GHz)
VLO
0V
0.2V
0.4V
0.6V
0.8V
1V
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
NF(dB)
VLO
0V
0.2V
0.4V
0.6V
0.8V
1V

35
• Optimización de las tensiones de polarización
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
CG(dB)
VRF
0V
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
NF(dB)
VRF
0V
0.2V
0.4V
0.6V
0.8V
1V

36
• Optimización del núcleo del Convertidor de Corriente
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
16,3
16,4
16,5
16,6
16,7
16,8
16,9
17,0
17,1
17,2
17,3
CG(dB)
úcleo
1u
2u
3u
4u
5u
6u
7u
8u
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
23,10
23,15
23,20
23,25
23,30
23,35
23,40
23,45
23,50
23,55
23,60
23,65
23,70
23,75
NF(dB)
Núcleo
1u
2u
3u
4u
5u
6u
7u
8u
Núcleo

37
• Ajuste de las corrientes de polarización

38
• Ajuste de las corrientes de polarización: ipol1
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
14,4
14,6
14,8
15,0
15,2
15,4
15,6
15,8
16,0
16,2
16,4
16,6
16,8
17,0
17,2
17,4
17,6
17,8
CG(dB)
ipol1
3u
4u
5u
6u
7u
8u
9u
10u
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
20
22
24
26
28
30
32
34
NF(dB)
ipol1
2u
3u
4u
5u
6u
7u
8u
9u
10u

39
• Ajuste de las corrientes de polarización: ipol2
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
CG(dB)
ipol2
1u
2u
3u
4u
5u
6u
7u
8u
9u
10u
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
24
26
28
30
32
34
NF(dB)
ipol2
1u
2u
3u
4u
5u
6u
7u
8u
9u
10u
ipol1=7 µA
ipol2 = 10 µA

40
• Optimización de la etapa de salida: ωAB
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
CG(dB)
AB
0.5u
1.5u
2.5u
3.5u
4.5u
5.5u
6.5u
7.5u
8.5u
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
21,6
21,8
22,0
22,2
22,4
22,6
22,8
23,0
23,2
23,4
23,6
23,8
NF(dB)
AB
0.5u
1.5u
2.5u
3.5u
4.5u
5.5u
6.5u
7.5u
8.5u

41
• Optimización de la etapa de salida: ωAB1
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
CG(dB)
AB1
0.5u
1.5u
2.5u
3.5u
4.5u
5.5u
6.5u
7.5u
8.5u
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
NF(dB)
AB1
0.5u
1.5u
2.5u
3.5u
4.5u
5.5u
6.5u
7.5u
8.5u

42
• Unión de los dos Convertidores de Corriente

43
• Circuito completo del Mezclador basado en Convertidores de Corriente

44
• Simulaciones finales del diseño a nivel de esquemático
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
12,8
13,0
13,2
13,4
13,6
13,8
14,0
Ganancia(dB)
Frecuencia de Rf (GHz)
convgain
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
24,4
24,6
24,8
25,0
25,2
25,4
25,6
25,8
26,0
26,2
26,4
NF
Figuraderuido(dB)
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20
-240
-220
-200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
Fundamen.
IM3
POUT
(dB)
PIN
(dB)

DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
45
•Tecnología UMC 90 nm para SM/RF
•1 capa de poli-silicio
•9 capas de metal
VIA1
Contacto
Poly Poly
M1 M1M1
M2M2M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M3
M5
M6
M7
M8
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M9M9
Al-pad
VIA2VIA3VIA4VIA5VIA6VIA7VIA8
M4

46
• De forma modular para un mejor manejo a la hora de diseñar y facilitar la
detección de errores:
-Etapa de mezclado
-Etapa de amplificación
-Núcleo del CCII
-Fuentes de corriente
-Etapa de salida

47
Bloque a nivel de layout
DRC
LVS
QRC
Sim. Extraído vs
Sim. Esquemático
Diseño completo
Si
Si
Si
No
No
No

48
1.Mixer
5a.
Clase
AB
5b.
Clase
AB
3.Fuentes
NMOS
2.Fuentes PMOS
4.Núcleo CCII

49
• Simulaciones post-layout
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
12,0
12,2
12,4
12,6
12,8
13,0
13,2
Ganancia(dB)
convgain
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
25,0
25,2
25,4
25,6
25,8
26,0
26,2
26,4
26,6
26,8
FiguradeRuido(dB)
NF

5050
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

51
Single-to-Differential
Converter
LNA
Mixer I
Pre-Select
Filter
Base Band
ADC
ADC
Base Band
Mixer Q
TO BASESBAND
PROCESSING
90º
Synthesizer
RF Front-End
DVB-SH Front-End

52
• Esquemático completo del Receptor de RF para DVB-SH

53
OUT-
V- IO1 VBIAS GND
IN
GND
V+
IO3
GND
IO3
LO-GNDLO+
Layout
IO2
GND
OUT+
• Distribución de los pads de medida

54
• Layout del Receptor para DVB-SH basado en Convertidores de Corriente
Área del chip excluyendo pads: 0.26 mm x 0.13 mm
Área del chip incluyendo pads: 0.904385 mm x 0.59 mm

55
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
S11(dB)
Frequency (GHz)
S11
1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
0
5
10
15
20
25
30
CG(dB)
Frequency (GHz)
CG

56
1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
NF(dB)
Frequency (GHz)
NF
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
POUT(dBm)
PIN(dBm)
Fundamen.
IM3

57
• Resultados del Receptor de RF para DVB-SH

5858
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

CONCLUSIONES
59
• Se ha diseñado un Mezclador para DVB-SH basado en Convertidores de
Corriente en Tecnología CMOS 90 nm.
• Herramientas de diseño: Cadence, ADS y Dynamic Link.
• Sistemas de RF y diseño de Circuitos Integrados.
• Tecnología UMC 90 nm para SM/RF, reglas de diseño, técnicas de layout.
• Circuito con área y consumo de potencia reducidos.
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO

CONCLUSIONES
60
• Integración del mezclador pasivo basado en convertidores de corriente en la
cadena de recepción.
• Se ha publicado un artículo en un congreso internacional basado en este
trabajo, titulado “An RF receiver based on current conveyors for DVB-SH” , en el
XXVII Conference on Design of Circuits and Integrated Systems 2012 (november
2012, avignon, francia).
• Fabricación y medida del circuito.
• Integración con los otros bloques (sintetizador, banda base, parte digital, etc)
del receptor de televisión digital.
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO

6161
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESTÁNDAR DVB-SH

PRESUPUESTO
62
CONCLUSIONES
PRESUPUESTO
Descripción Gastos (€)
Costes de recursos humanos 270,46
Costes de ingeniería 20089,44
Costes de amortización 1385,70
Costes de fabricación 2246,35
Otros costes 167,00
PRESUPUESTO FINAL 24158,95
TOTAL (IGIC 7%) 25850,07

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