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Presentación TFG - Roberto Rodríguez
- 1. Diseño de un amplificador integrado en configuración Doherty en tecnología GaN Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Roberto Rodríguez Hernández Grado en Ingeniería de Tecnologías de la Telecomunicación Curso 2017/2018 Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez Emilio Torres Armas
- 2. Índice Antecedentes Solución propuesta Diseño Conclusiones y líneas futuras
- 3. Índice Antecedentes Solución propuesta Diseño Conclusiones y líneas futuras
- 4. Nuevas aplicaciones Coches autónomos Realidad Virtual Internet de las cosas Aumento en datos 12x 4.2 petabytes 2016 50 petabytes 2021 Más dispositivos 5x 15.400 mill. 2015 75.400 mill. 2025 4
- 5. Menos latencia Más ancho de banda Mayor número de dispositivos uRLLC eMMB mMTc ultra-Reliable and Low Latency Communications enhanced Mobile Broadband massive Machine Type Communications Hasta 20 Gbps1 ms 10 ms con 4G Hasta 1 Gbps con 4G Hasta 100k/km2 con 4G Hasta 1 millón/km2 5G Servicios 5
- 6. sub 1 GHz mMTC y uRLLC 3.4 – 3.8 GHz eMMB 24.25 – 27 GHz eMMB 5G Bandas de frecuencia 6
- 7. BTS Bandas de frecuencia Usuarios Estación base Controlador Núcleo y servidores RNC BSC MSC CSMGW CGSN CGN AAA IP Core 2 TWh 60 TWh 1 TWh 1 TWh 1 Mt CO2/a 30 Mt CO2/a 0.5 Mt CO2/a 7 Mt CO2/a
- 8. BTS Bandas de frecuencia
- 9. GaN Características Nitruro de Galio (GaN) Gran Auge Uso previo en Defensa 9
- 10. GaN Características 38 43 46 48 49 0 58 0 15 30 45 60 75 2008 2010 2012 2014 2015 2016 Eficiencia de semiconductor en estaciones base en 8 dB de back-off GaN Silicio 10
- 11. GaN Características 100 130 180 290 350 400 450 500 210 600 400 370 365 390 360 325 0 225 450 675 900 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Inversión en Silicio y GaN para estaciones de base (en millones) Silicio GaN 11
- 12. GaN frente a GaAs Mayor tiempo en el mercado Gran variedad de dispositivos Aplicaciones de alta frecuencia y baja figura de ruido 12
- 13. GaN frente a GaAs GaAs GaN Banda prohiba (eV) 1.4 3.4 Velocidad de saturación (cm/s) 2 · 107 2.7 · 107 Tensión de ruptura (V/cm) 5 · 105 4 · 106 Constante dieléctrica 1.28 9 Conductividad térmica (W/cm-K) 0.6 1.7 13 Tensión Corriente Densidad de potencia Tamaño Mayor ancho de banda Eficiencia Potencia Ganancia Temperatura Frecuencia
- 14. GaN frente a GaAs
- 15. GaN frente a SiC GaN: High Electron Mobility Transistor (HEMT) SiC: Metal-Semiconductor field-efecto transistor (MESFET) Ventajas HEMT: - Alta densidad de corriente - Baja resistencia de canal - Mayor densidad de potencia - Menos pérdidas - Mayor ancho de banda 15
- 17. Transistores Recta de carga 17
- 18. Transistores Recta de carga 18
- 19. Amplificadores Eficiencia Eficiencia del drenador 19
- 20. Eficiencia del drenador Power-Added Efficiency (PAE) Amplificadores Eficiencia 20
- 22. Clase Ángulo eficiencia A 2𝝅 50% B 𝝅 78.5% AB 𝝅<s<2𝝅 50%<𝝶<78.5% C <𝝅 >78.5% Amplificadores Clases 22
- 24. BTS Bandas de frecuencia
- 25. BTS Aumento de eficiencia
- 27. BTS Doherty
- 28. BTS Doherty
- 29. Doherty Definición Clase AB Clase C 29
- 30. Principio de Modulación de carga ZMain ZCarga ZO Doherty Funcionamiento 30
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- 37. Solución propuesta Semiconductor Nitruro de Galio sobre Si Fundidora OMMIC Empresa Francesa Sustrato Si /SiC 60 / 100 nm
- 38. Solución propuesta Objetivos Bandas de frecuencia 3.4 - 3.8 GHz Modulaciones IT/L BPSK, BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM PAPR >7 dBm Máxima potencia de salida 23 dBm Ancho de banda 100 MHz PAE >25%
- 39. Índice Antecedentes Solución propuesta Diseño Conclusiones y líneas futuras
- 41. Modelo de gran señal TRL: 3-4 Modelo de pequeña señal TRL: 1-2 Modelo de pequeña señal TRL: 1-2 Modelo de gran señal TRL: 1-2 Diseño Elección del transistor 41
- 42. Modelo de gran señal TRL: 3-4 Modelo de pequeña señal TRL: 1-2 Modelo de pequeña señal TRL: 1-2 Modelo de gran señal TRL: 1-2 Diseño Elección del transistor 42
- 43. Modelo de gran señal TRL: 3-4 Modelo de pequeña señal TRL: 1-2 Modelo de pequeña señal TRL: 1-2 Modelo de gran señal TRL: 1-2 Diseño Elección del transistor 43
- 44. Principal Curvas de los transistores 44
- 45. Principal Curvas de los transistores 45
- 46. Amplificador Principal VGS = -2 V VDS = 12 V Principal Curvas de los transistores 46
- 47. Principal Estabilidad del principal 47
- 48. Principal Estabilidad del principal 48
- 49. Principal Curvas de los transistores 49
- 50. Condensador: 6 pF Resistencia: 34Ω Principal Curvas de los transistores 50
- 51. Fenómeno de reflexión de onda Adaptación de impedancias para máxima transferencia de potencia Impedancias óptimas vistas por el transistor Método load-pull y source-pull Principal Load-pull y Source-pull 51
- 52. Principal Load-pull y Source-pull 52
- 53. Principal Load-pull y Source-pull 53
- 54. Impedancia de fuente: 18.747 – j*13.006 Impedancia de carga: 29.938 + j*3.032 Principal Load-pull y Source-pull 54 Curva de potencia Curva de PAE
- 59. Principal Simulación del principal 59
- 60. Principal Simulación del principal 60
- 65. Auxiliar Curvas del transistor 65
- 66. Amplificador Auxiliar VGS = -3 V VDS = 12 V Auxiliar Curvas del auxiliar 66
- 67. Auxiliar Estabilidad del auxiliar 67
- 68. Auxiliar Load-pull y Source-pull 68 Impedancia de fuente: 18.163 – j*2.507 Impedancia de carga: 21.501 + j*10.927 Curva de potencia Curva de PAE
- 70. OptimizaciónOptimización Auxiliar Simulación del auxiliar 70
- 71. Optimización Doherty Creación del Doherty 71
- 72. Optimización Doherty Simulación del Doherty 72
- 73. Optimización Doherty Optimización del Doherty 73
- 74. Optimización Doherty Sustitución del divisor 74
- 75. Optimización Doherty Sustitución del divisor 75
- 76. Optimización Doherty Sustitución del divisor 76
- 77. Optimización Doherty Sustitución del divisor 77
- 78. Optimización Doherty Sustitución del divisor 78
- 79. Optimización Doherty Sustitución del divisor 79
- 81. Inductancia: 1.851 nH Inductancia buscada: 1.933 nH Inductancia: 3.63 nH Inductancia buscada: 4.271 nH Optimización Doherty Componentes reales 81
- 84. Optimización Doherty Simulación con híbrido real 84
- 85. Optimización Doherty Simulación con híbrido real 85
- 90. Optimización Doherty Sustitución de T-Line 90
- 91. Optimización Doherty Sustitución de T-Line 91
- 92. Optimización Doherty Sustitución de T-Line 92
- 95. Optimización Doherty Sustitución de T-Line 95
- 96. 96 Optimización
- 97. 97 Esquema final
- 98. Optimización Doherty Comparación de circuitos 98
- 100. 100 Layout final
- 101. Optimización Diseño Respuesta en frecuencia 101
- 102. Optimización Diseño Simulaciones Monte Carlo 102
- 103. Índice Antecedentes Solución propuesta Diseño Conclusiones y líneas futuras
- 104. Parámetro Valor Objetivo Frecuencias (GHz) 3.4 – 3.8 3.4 – 3.8 PAE (%) 36 >25 Ganancia (dB) 9.5 - Potencia de Salida (dBm) 35 Max. 23 PAPR (dB) 7.6 > 7 Optimización Conclusiones Características 104
- 105. Referencia [38] [51] [52] [53] [49] [50] Este proyecto Frecuencia (GHz) 2.4-2.6 3.65 1.6-2.1 8.8-10.5 6.8 – 8.5 8.25 3.4-3.8 Ganancia (dB) 14 27 27 6 7 10 9,5 PAE (%) 23 26 30 32 37 14 36 Potencia de salida (dBm) 23.5 28.9 36 30 35 39 35 Tecnología usada 65 nm CMOS CMOS GaAs GaAs GaN HEMT GaN HEMT GaN HEMT Optimización Conclusiones Comparaciones 105
- 106. Monte Carlo del layout Simulaciones EM Optimización Conclusiones Líneas futuras 106
- 107. Concepto Coste Trabajo tarifado por tiempo empleado 4.344,00€ Amortización del material hardware 38,15 € Amortización del material software 0 € Redacción del trabajo 356,96 € Costes de visado del COITT 19,10€ Coste de tramitación y envío 6,00€ Subtotal 4,761.70 € IGIC (7%) 383.73€ Total 5,095.19€ Presupuesto 107
- 108. Gracias por su atención Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Roberto Rodríguez Hernández Grado en Ingeniería de Tecnologías de la Telecomunicación Curso 2017/2018 Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez Emilio Torres Armas