Proyecto Fin de Carrera del Alumno Joaquín Sarabia Muñoz para la EITE de la ULPGC

1. Diseño de un detector de fase
integrado con eliminación de la zona
muerta
Autor: D. J. Joaquín Sarabia Muñoz
Tutores: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
D. Dailos Ramos Valido
Titulación: Ingeniero Técnico de Telecomunicación,
especialidad Sistemas Electrónicos
Fecha: Junio 2012

2. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
2
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

3. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
3
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

4. Introducción
4
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

5. Introducción
VGA Filtro ADC
PROCESADO
EXT LNA SINTETIZADOR BANDA BASE
LNA
π/2
VGA Filtro ADC
5
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

6. Introducción
• El PLL ideal
Фr Detector de Vd Filtro Paso Vc Ф0
fase Bajo
VCO
Ф0
6
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

7. Introducción
• El detector de fase
Фr Detector de Vd Filtro Paso Vc Ф0
fase Bajo
VCO
Ф0
7
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

8. Introducción
• El filtro paso bajo
Фr Detector de Vd Filtro Paso Vc Ф0
fase Bajo
VCO
Ф0
8
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

9. Introducción
• El VCO
Фr Detector de Vd Filtro Paso Vc Ф0
fase Bajo
VCO
Ф0
9
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

10. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
10
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

11. Objetivos
 Diseñar 2 detectores de fase (Convencional y Zona
Muerto Cero)
 Diseñar una bomba de carga
 Eliminar la zona muerta
11
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

12. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
12
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

13. El detector de fase
Respuesta en
Tipo Señales Diagrama Respuesta en fase
frecuencia
U1 U1
Vd
t Q
1. Multiplicador analógico Indefinida
U2 U2  2   0  2
t
U1
t Vd
U1
Q
U2
2. Multiplicador digital t U2 Indefinida
Q  2   0  2
t
U1 Vd Vd
t U1 Q
J Q
1  2
Indefinida
U2
3. Biestable JK t U2
 2   0  2
Q K Q
t
U1 U1
U1 U Vd Vd
adelantada retrasada R U
U2
U2
1   2
4. Fase-frecuencia U2 D
U
U V D
D  2   0  2
D
13
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

14. El detector de fase
Multiplicador Analógico
U1
Vd
t
U2  2   0  2
t
U1
Q
U2
14
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

15. El detector de fase
Detector digital de onda cuadrada
U1 Vd
t
U2
t
Q  2   0  2
t
U1
Q
U2
15
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

16. El detector de fase
Detector digital biestable
U1 Vd
t
U2
t
Q  2   0  2
t
U1 Q
J Q
U2
K Q
16
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

17. El detector de fase
Detector digital fase-frecuencia
U1 U1 Vd
U1 U adelantada retrasada
R U U2
U2
U2 D U
U
 2    2
V D
D
D
0
Estado D U
U2 U2 U1 U1
00 0 0
10 00 01
01 0 1
U1 U2
10 1 0
17
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

18. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
18
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

19. La bomba de carga
Фr Vd Vc Ф0
Detector Filtro Paso
de fase Bajo
VCO
Ф0
19
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

20. La bomba de carga
UP Ф0
Фr Detector Bomba de Vd Filtro Paso Vc
DOWN
de fase carga Bajo
VCO
Ф0
20
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

21. La bomba de carga
UP IB
DOWN Vo
IB CL
UP DOWN DESCRIPCIÓN
0 0 Ambos interruptores apagados y Vo no varía
0 1 IB extrae corriente de CL reduciendo Vo
1 0 IB inyecta corriente de CL reduciendo Vo
21
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

22. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
22
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

23. La zona muerta
CLKVCO
CLKREF
UP
DOWN
Pequeño error de fase
23
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

24. La zona muerta
Tensión de salida (V)
Tensión de salida (V)
-360 -360
360 360
Error de fase (grados) Error de fase (grados)
a) b)
24
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

25. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
25
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

26. Diseño de los PFDs
PFD I
UP
CLKREF
DOWN
CLKVCO
26
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

27. Diseño de los PFDs
PFD I
27
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

28. Diseño de los PFDs
PFD I
28
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

29. Diseño de los PFDs
PFD I
29
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

30. Diseño de los PFDs
PFD II
CLKREF CLK
UP CLKREF
Q
RESET
CLKVCO
Biestable1 Tipo D
A
out UP
B
AND 2
DOWN
CLKVCO CLK
DOWN
Q
RESET RESET
t
Biestable2 Tipo D
30
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

31. Diseño de los PFDs
PFD II
31
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

32. Diseño de los PFDs
PFD II
32
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

33. Diseño de los PFDs
PFD II
33
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

34. Diseño de la CP
ICP = ±800µA
Dimensiones Medidas
Ancho PM4,NM4 2 µm
Longitud PM4,NM4 90 nm
Ancho PM3 1,9 µm
Longitud PM3 90 nm
Ancho NM5 670 nm
Longitud NM5 90 nm
34
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

35. Unión de los PFDs y la CP
PFD I + CP
35
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

36. Unión de los PFDs y la CP
PFD I + CP
36
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

37. Unión de los PFDs y la CP
PFD I + CP
37
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

38. Unión de los PFDs y la CP
PFD II + CP
38
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

39. Unión de los PFDs y la CP
PFD II + CP
39
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

40. Unión de los PFDs y la CP
PFD II + CP
40
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

41. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
41
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

42. Solución a la zona muerta
CLKREF CLK
UP
Q
RESET
Biestable D
a Icp
out
b
AND 2
Path de RESET ( TR)
CLKVCO CLK
DOWN
Q
RESET
Biestable D
42
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

43. Solución a la zona muerta
• Tiempo de subida y bajada
43
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

44. Solución a la zona muerta
5,7ps 4,3 ps
44
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

45. Solución a la zona muerta
45
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

46. Solución a la zona muerta
• Retardo
46
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

47. Solución a la zona muerta
10,8 ps 13,2 ps
47
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

48. Solución a la zona muerta
48
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

49. Solución a la zona muerta
•Diagrama de bloques final
CLKREF CLK
UP
Q
RESET
Biestable D
a
out Icp
b
AND 2
Path de RESET
CLKVCO CLK
Q
DOWN
RESET
Biestable D
49
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

50. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
50
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

51. Esquema final
51
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

52. Esquema final
52
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

53. Esquema final
53
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

54. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
54
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

55. Layouts
Al-pad
M9 M9
Tecnología UMC 90nm
VIA8
M8 M8 M8
 1 Capa de Poli-silicio
VIA7
M7 M7 M7
VIA6
M6 M6 M6  9 Capas de metal
VIA5
M5 M5 M5
VIA4
M4 M4 M4
VIA3
M3 M3 M3
VIA2
M2 M2 M2
VIA1
M1 M1 M1
Contacto
Poly Poly
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Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

56. Layouts
AND2 NOR2
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Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

57. Layouts
Bomba de carga
PFD
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Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

58. Layouts
PFD + CP
Inversor
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Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

59. Layouts
59
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

60. Layouts
60
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

61. Layouts
D2 S ICP
D1 S VCC
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Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

62. Layouts
62
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

63. Índice
• Bloque I
 Introducción
 Objetivos
• Bloque II
 El detector de fase
 La bomba de carga
 La zona muerta
• Bloque III
 Diseño de los PFDs y la CP
 Solución a la zona muerta
 Esquema final
 Layouts
• Bloque IV
 Conclusiones
 Presupuesto
63
Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

64. Conclusiones
 Diseño de dos PFD
 Diseño de CP
 Solución zona muerta (retardo path de RESET)
Corriente ICP ±800 µA
Frecuencia 40 MHz
Kd 0,837 V/rad
Área 0,0679 cm2
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Diseño de un detector de fase integrado con
eliminación de la zona muerta

65. Presupuesto
Descripción Gastos (€)
Costes de recursos humanos 270,46
Costes de ingeniería 20089,44
Costes de amortización 1385,70
Costes de fabricación 282,05
Otros costes 167,00
PRESUPUESTO FINAL 22194,65
TOTAL (IGIC 5%) 23304,38
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eliminación de la zona muerta

66. Diseño de un detector de fase
integrado con eliminación de la zona
muerta
Autor: D. J. Joaquín Sarabia Muñoz
Tutores: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
D. Dailos Ramos Valido
Titulación: Ingeniero Técnico de Telecomunicación,
especialidad Sistemas Electrónicos
Fecha: Junio 2012