Este documento analiza la viabilidad de utilizar convertidores de corriente para la fabricación de amplificadores de bajo ruido (LNA) integrados. Describe las características de los convertidores de corriente y LNAs, y presenta un diseño de LNA basado en convertidores de corriente. El autor realizará el diseño a nivel de esquemático y layout, y medirá los resultados para verificar el rendimiento del LNA propuesto.
Presentación del Trabajo Fin de Grado de Guillermo Ojeda, titulado Diseño de un Cabezal de Recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS de 65 nm. Defendido el mes de julio de 2017 con mención en matrícula de honor.
Presentación del Trabajo Fin de Grado de Guillermo Ojeda, titulado Diseño de un Amplificador Integrado en configuración Doherty en tecnología GaN. Defendido el mes de julio de 2017 con mención en matrícula de honor.
Presentación del Trabajo Fin de Grado de Guillermo Ojeda, titulado Diseño de un Cabezal de Recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS de 65 nm. Defendido el mes de julio de 2017 con mención en matrícula de honor.
Presentación del Trabajo Fin de Grado de Guillermo Ojeda, titulado Diseño de un Amplificador Integrado en configuración Doherty en tecnología GaN. Defendido el mes de julio de 2017 con mención en matrícula de honor.
Caracterización y simulación de un receptor inalámbrico a 915 MHz
Análisis de Viabilidad de Utilizar Convertidores de Corriente para la Fabricación de LNAs Integrados
1. Análisis de viabilidad de utilizar
Convertidores de Corriente para la
fabricación de LNAs integrados
Autor: Jonathan Arias Pérez Tutor: Francisco Javier del Pino Suárez
EUITT Sistemas Electrónicos Cotutor: Sunil Lalchand Khemchandani
ULPGC Junio de 2008
Proyecto Fin de Carrera
2. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
3. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
5. Introducción
ARQUITECTURA DE RECEPTORES:
➫ Arquitectura del receptor heterodino convencional
➫ Arquitectura del receptor de conversión directa
➫ Arquitectura del receptor de doble conversión
con IF de banda ancha
➫ Arquitectura del receptor con baja IF
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
6. Introducción
Receptor de doble conversión con IF
Receptor heterodino convencional de banda ancha
Receptor de conversión directa Receptor con baja IF
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
7. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
8. Introducción
Objetivos
✔ Comprobar la viabilidad de usar los convertidores
de corriente para la realización de un amplificador de
bajo ruido (LNA)
✔ Realización de un LNA basado en convertidores
de corriente y verificación de resultados
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
9. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
10. Convertidores de Corriente
Convertidor de Corriente: Dispositivo de cuatro terminales
Iy
Vy Y
Iz
C C Z Vz
Vx X
Ix
Existen varias versiones:
➲ Convertidores de Corriente de Primera Generación (CCI)
➲ Convertidores de corriente de Segunda Generación (CCII)
➲ Convertidores de Corriente de Segunda Generación
Controlables (CCCII)
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
11. Convertidores de Corriente
Convertidores de Corriente de Primera Generación (CCI)
Iy
Vy Y
Iz iy 0 1 0 V y
C C Z Vz
vx 1 0 0 ix
Vx X
iz 0 1 0
Vz
Ix
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
12. Convertidores de Corriente
+V cc
Q 8 Q 6
Q 7
Q 9 Q 10
Ejemplo de implementación: Y X Z
Q 2 Q 1
Q 4 Q 5
Q 3
V ss
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
13. Convertidores de Corriente
Aplicaciones de los CCI
➢ Dispositivo de medida de corriente de banda ancha
➢ Convertidor de impedancia negativa (NIC)
➢ Buffer de corriente de alta velocidad
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
14. Convertidores de Corriente
Convertidores de Corriente de Segunda Generación (CCII)
Iy
Vy Y iy Iz 0 0 0 V y
C C Z Vz
vx 1 0 0 ix
Vx X
Ix
iz 0 ±1 0 Vz
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
15. Convertidores de Corriente
Ejemplo de implementación:
Vdd
M P2 M P1 M P3 M P4
C1 ID N 3
C2
Z
X M N 2 M N 1 Y
M N 3 M N 4
Ib
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
18. Convertidores de Corriente
Convertidores de Corriente de Segunda
Generación Controlables (CCCII)
Io
C C C II
iy 0 0 0 V y
vx 1 Rx 0 ix
Y
Z
Iy
C C II iz 0
Iz
1 0 Vz
Vy Vz
Rx
X
Vx
Ix
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
19. Convertidores de Corriente
Circuito equivalente real
Io
β(s) α (s)
iy iy 0 0 iz 0 V y
Y Id eal C C II Z
vx β Rx 0 ix
iz 0 ±α 0
Vz
Zy
Vy Zz Vz
Zx
Ix
X
Vx
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
20. Convertidores de Corriente
Ejemplo de implementación:
V +
M 5 M 6 M 7 M 8
Io
D 1
Z
Q 1 Q 2
D 2
Y
X
Q 3 Q 4
M 1 M 2 M 3 M 4
V-
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
21. Convertidores de Corriente
Aplicaciones de los CCCII
Amplificador de tensión
Io 1 Io 2
C C C II+ C C C II+
in p u t Y1 1 Z1 X2 2 Z2
X1 Y2
V in ( t ) V o u t(t)
Vout Rx 2 Io1
GV = = =
Vin Rx1 Io 2
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
22. Convertidores de Corriente
Aplicaciones de los CCCII
Amplificador de corriente
Io 1 Io 2
I in ( t )
C C C II+ C C C II+
Z1 1 X1 Y2 2 Z2 Io u t(t)
iz( t)
Y1 X2
Iout Rx1 Io 2
Gi = = =−
Iin Rx 2 Io1
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
23. Convertidores de Corriente
Aplicaciones de los CCCII
Filtro Paso-Banda de Segundo Orden
Io 1 Io 2
C C C II+ C C C II+
C1
Y1 1 Z1 Y2 2 Z2
X1 X2
V in (t) C2 V o u t(t)
Vout Rx C1s
F ( s) = ( s) = 2
Vin 1 + Rx C1s + Rx C1C2 s 2
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
24. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
25. Características de los LNAs
Características de los LNAs
➥ Topologías de LNAs más comunes
➥ LNA implementado con Convertidores de Corriente
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
26. Características de los LNAs
☞ Topologías de LNAs más comunes
➲ Configuración emisor-común
➲ LNA de dos etapas
➲ LNA con realimentación negativa por transformador
➲ Configuración en base común
➲ LNA cascodo
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
27. Características de los LNAs
☞ Topologías de LNAs más comunes
Configuración emisor-común
V D D
V D D
I B IA S
R C
V 0
IC
R 2 R 1 IB L B
Q 2 Q 1
C
R S L E
+
V i
-
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
28. Características de los LNAs
☞ Topologías de LNAs más comunes
LNA de dos etapas V D D
R 1 R 2
C 1
R 3
V o
Q 2
V in Q 1
R 4
L e
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
29. Características de los LNAs
☞ Topologías de LNAs más comunes
LNA con realimentación negativa por transformador
L 2
L 1
V in Q 1
C 1
V D D
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
30. Características de los LNAs
☞ Topologías de LNAs más comunes
Configuración en base común
V D D
R C
V out
V base Q 1
R S
V in
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
31. Características de los LNAs
☞ Topologías de LNAs más comunes
LNA cascodo
V D D
L c
R R EF
V O U T
Q 2
C L
R 2 R B IA S L b
Q 3 Q 1
C
R S
L e
+
V in
-
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
32. Características de los LNAs
Características de los LNAs
➥ Topologías de LNAs más comunes
➥ LNA implementado con Convertidores de Corriente
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
33. Características de los LNAs
☞ LNA implementado con CC
Estructura de amplificador de tensión usando Convertidores
de Corriente
Io 1 Io 2
C C C II+ C C C II+
Vout (t ) Io1
in p u t Y1 1 Z1 X2 2 Z2 GV = =
X1 Y2 Vin(t ) Io 2
V in ( t ) V o u t(t)
Ix 1 (t)
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
34. Características de los LNAs
☞ LNA implementado con CC
El esquema de CCCII usado es
V+
Io Io
Z
Q 1 Q 2
Y X
Io Io
V-
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
35. Características de los LNAs
☞ LNA implementado con CC
Si unimos los convertidores de corriente queda
V+
O UT
Io 1 Io 1 Io 2 Io 2
Z1 Z2
Q 11 Q 21 Q 22 Q 12
IN Y X1 X2 Y2
Io 1 Io 1 Io 2 Io 2
V-
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
36. Características de los LNAs
☞ LNA implementado con CC
Simplificando el circuito para obtener el mínimo número de
componentes posibles
V+
O UT
Io 1 Io 2
Z1
Q 21 Q 22 Q 12
IN X2
Io 1 Io 2
V-
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
37. Características de los LNAs
☞ LNA implementado con CC
Sustituyendo las fuentes de corrientes por espejos de corriente
queda el siguiente circuito
V+
M O UT M M
7 M 8 9 10
Io 1 Io 2
Q 21 Q 22 Q 12
IN
M 1 M 3 M 4 M 6
M M 5
2
V-
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
38. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
39. Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
4 metales y 2 polys
Thick Metal
Elementos pasivos
Transistores Bipolares
Transistores MOSFET
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
40. Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
Elementos Pasivos
✔ Resistencias ✔ Condensadores ✔ Bobinas
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
41. Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
✔ Transistores MOSFETs ✔ Transistores HBTs de SiGe
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
42. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuestos
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
43. Diseño a nivel de esquemático
Simulación Fuentes de Corriente Ideales
Seleccionar parámetros
Diseño a nivel
de esquemático
Simulación Fuentes de Corriente Reales
Seleccionar parámetros
Realización de layout
Diseño a nivel
de layout
Simulaciones Post-layout
Fabricación
Medidas
Medidas
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
44. Diseño a nivel de esquemático
➥ Simulación con Fuentes de Corriente Ideales
V d d = 1 .5 V
Io 1 Io 2
O U T
Q 1 Q 2 Q 3
C IN
Io 1 Io 2
V d d = - 1 .5 V
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
45. Diseño a nivel de esquemático
➥ Simulación con Fuentes de Corriente Ideales
Valores de Io1 para Zin próxima a 50 Ω
Área Transistor Corriente Io1
(μm2) (μA)
24 560
20 560
m 1
m1 f q 50 M z
r = 0 .0 H
e 15 580
S1 )
( ,1
S1 ) .0 4 - 4 .9 8
( ,1=0 0 /1 1 7
io =5 0 0 0 0
1 6 .0 0 0
10
im e a c = Z * ( .9 4 j 0 )
pdne 0 0 9 - 0 5 .0 580
5 620
4 650
f q( 0 .0 H t 1 .0 G z
r 50 M z o 2 0 H )
e 3 700
2 800
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
46. Diseño a nivel de esquemático
➥ Simulación con Fuentes de Corriente Ideales
Ganancia y Ancho de Banda para distintos valores de Io2 y de área
de los transistores bipolares
25 m1
m 1 m 4
20 f q 60 M z
r = 1 .0 H
e f q1 1G z
r = .8 0 H
e
m2 d ( C u =2 .2 9d ( C u =9 7
BA .o t 1 9 BA .o t .1 4
) )
15 m3 i2 0 0 0 0
=5 .0 0 0 i2 0 .0 0 0
=2 0 0 0 0
BA .o t
d ( C u)
m4
m6
5 m 2 m 5
10
m f q 1 1G z
r = .0 0 H
e f q2 1G z
r = .4 0 H
e
5 d ( C u =1 .1 9d ( C u =7 8
BA .o t 5 8 BA .o t .2 5
) )
i2 0 .0 0 0
=1 0 0 0 0 i2 5 .0 0 0
=2 0 0 0 0
0
m 3 m 6
-5 f q 1 1G z
r = .4 0 H
e f q3 1G z
r = .0 0 H
e
d ( C u =1 .6 6d ( C u =5 4
BA .o t 1 5 BA .o t .7 4
) )
17
18
19
11
21
i2 5 .0 0 0
=1 0 0 0 0 i2 0 .0 0 0
=3 0 0 0 0
E
E
E0
E
E0
f qH
r , z
e
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
47. Diseño a nivel de esquemático
➥ Simulación con Fuentes de Corriente Ideales
Cálculo de la figura de ruido
12
m1 mPara menor NF:
4
10
f q1 5 G z
r = .0 0 H
e f q1 5 G z
r = .0 0 H
e
N m =2 6
F in .6 5 N m =3 8
F in .4 9
tm n o 2 0 0 0 m n o 0 0 0 0
a a y =2 .0 0 0 t a y =1 .0 0 0
a
8
m6 ✎ Io2
F in
m2 m 5
n( )
2
Nm
f
6 f q1 5 G z
r = .0 0 H
e f q1 5 G z
r = .0 0 H
e
m5 N m =2 4
F in .8 0 N m =4 0
F in .2 5
m
m4
3 tm n o 8 0 0 0 m n o .0 0 0
a a y =1 .0 0 0t a y =6 0 0 0
a
4 m2
1 ✎ Área
m3 m6
2
f q1 5 G z
r = .0 0 H
e
1 1 2 1 N m =3 9
E 0 E 0 F in .0 3
transistores
f q1 5 G z
r = .0 0 H
e
18
E 19
E N m =6 2
F in .3 1
f qH
r , z
e tm n o 4 0 0 0a a y =2 0 0 0
a a y =1 .0 0 0 tm n o .0 0 0
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
48. Diseño a nivel de esquemático
➥ Simulación con Fuentes de Corriente Reales
Se sustituyeron las fuentes de corrientes ideales por espejos de
corriente
V d d = 1 .5 V
M 7 M 8 M 9 M 10
Io 1 O U T
Q 2 Q 3 Io 2
Q 1
C IN
M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6
V d d = - 1 .5 V
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
49. Diseño a nivel de esquemático
➥ Simulación con Fuentes de Corriente Reales
Ganancia y Ancho de Banda para una variación de la L de los
transitores MOS
50 m1
m 1 m 4
40 f q 5 .0 M z
r = 0 0H
e f q 5 .0 M z
r = 0 0H
e
m
m2
3 d ( C u) 4 0 d ( C u) 5 8
BA .o t .3 7 BA .o t .1 0
=4 =2
m4
5
7
BA .o t
L .5 0 0
=0 0 0 0 L .0 0 0
=2 0 0 0
d ( C u)
30
20 m2 m5
f q 5 .0 M z
r = 0 0H
e f q 5 .0 M z
r = 0 0H
e
10 d ( C u) 8 1 d ( C u) 4 3
BA .o t .5 6 BA .o t .6 6
=2 =2
0
L .0 0 0
=1 0 0 0 L .5 0 0
=2 0 0 0
m3 m 7
-0
1 f q 5 .0 M z
r = 0 0H
e f q 5 .0 M z
r = 0 0H
e
18
E 19
E 1 1 2 1 BA .o t 6 3 d ( C u =2 .2 7
E 0 E d ( C u =2 .1 5 BA .o t 4 8
0 ) )
L .5 0 0
=1 0 0 0 L .0 0 0
=3 0 0 0
f qH
r , z
e
G
L
BW
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
50. Diseño a nivel de esquemático
➥ Simulación con Fuentes de Corriente Reales
Figura de ruido para una variación de la L de los transistores MOS
8
m1
7
f q 5 .0 M z
r = 0 0H
e
m1 N m =6 4
F in .1 7
6
L .5 0 0
=0 0 0 0
F in
n( )
2
Nm
m2
f
5
m2
4
f q 5 .0 M z
r = 0 0H
e
N m =4 4
F in .8 0
3
L .0 0 0
=3 0 0 0
18
E 19
E 11
E0
f qH
r , z
e
L NF
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
51. Diseño a nivel de esquemático
Conclusiones:
G
Disminución de área de los transistores bipolares BW
NF
G
Aumento de la corriente de polarización Io2 BW
NF
G
Aumento de la W de los transistores MOS BW
NF
G
Aumento de la L de los transistores MOS BW
NF
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
52. Diseño a nivel de esquemático
Conclusiones:
El circuito que se implementará en el layout es
V C
_D
SC
R6
V c .5V
d=1
F E T SD C R IN ER A E
U N E E O RE T E L S
p o4
ms p o4
ms p o4
ms
p o4
ms M5
P M6
P M7
P
M2P wt u
t =W m
o wt u
t =W m
o wt u
t =W m
o
wt u
t =W m
o w u
=W m w u
=W m w u
=W m
w u
=W m
I C
_D l u
=L m l u
=L m l u
=L m
l u
=L m n=1
g n=1
g n=1
g
SC
R8 n= 1
g
Ic o u d in otc=t
d=i 1 A r C nat da C natt
ri otc
n = d i C nat
rn ot =t
a c d i C nat
rn otc=t
a
a
su e ot t
or C n c=t
c a sucC nat
or otc=t
e sucC nat
ore otc =t
sucC n c t
ore ot t
a=
I C
_D
I rb
_Poe SC
R9
I rb
_Poe
I rb3
_Poe Ic u
d=i2 A
I rb2
_Poe
I re
_Pob
I re
_Po 1
b
nn2
p11 ot
u1
Q1 nn2
p11
a a *t ay
r =2 a no
e m Q2 nn2
p11
ae=tm no
ra a ay Q3
C ae=tm no
ra a ay
C
C 1 C2
C .0 F
=1 u C .0u
=1 F
Tr
em
Tr1
em V C
_A
SC
R7
Nm
u =1
Z 0O m
=5 h Vc V
a=1
Ni e e
o =ys
s Fe=f q
r r
q e
Tr
em
Tr2
em I rb
_Poe
Nm 2
u= I rb6
_Poe
Z 0O m
=5 h
Ni e e
o =ys
s
I rb
_Poe I re
_Pob
I rb4
_Poe I re
_Po 5
b
n o4
ms
M1
N5
wt u
t =W m
o n o4
ms n o4
ms n o4
ms
w u
=W m M1
N4 M1
N2 M5
N
l u
=L m wt u
t =W m
o n o4
ms wt u
t =W m
o w t Wu
t=
o m
n o4
ms M1
N3
M1
N6 n=1
g w u
=W m w u
=W m w u
=W m
l u
=L m w tW u
t=
o m l u
=L m lL m
= u
wt u
t =W m
o da C n c=t
ri ot t
n a
sucC nat
or otc
e =t n=1
g w u
=W m n= 1
g n=1
g
w u
=W m
d i C nat
rn ot =t
a c l u
=L m d in otc=t
r C nat
a da C nat
rn otc=t
i
l u
=L m n=1
g
sucC n c=t
ore ot t
a sucC nat
or otc=t
e su e otc=t
or C nat
c
n=1
g da C nat
rn otc=t
i
da C nat
r ot =t
in c
su e otc=t
or C nat
c
sucC nat
or otc
e =t
V C
_D
SC
R5
Vc 1 V
d=- .5
Tamaño de los transistores BJT es de 10 μm2, excepto el Q1 que es de
20 μm2, la W de los transistores MOS es de 20 μm y la L tiene un valor
de 1 μm
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
53. Diseño a nivel de esquemático
Resultados:
El resultado de la simulación para Io1=600µA e Io2=50μA
m4 8.0
7.5
m2
2.0
0
f q1 1 G z
r = .0 0 H
e
E q e ac o D 1
7.0
n( ) .9 5
f =4 6
2
s u m t _A S
1.0
5 6.5
F in
6.0
f)
Nm
n2
ic
(
1.0
0
5.5 m2
5.0
m3 m3
m4 4.5
5.0
f q2 1G z
r = .0 0 H
e 4.0 f q1 1 G z
r = .0 0 H
e
E q e ac o D 1 0 3
s u m t _A S =2 .4 0
ic 3.5
N m =4 6
F in .2 4
0.0
17
E 18
E 19
E 11
E0
17
E 18
E 19
E 11
E0
f qH
r , z
e
f qH
r , z
e
Ganancia Figura de Ruido
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
54. Diseño a nivel de esquemático
Resultados:
El resultado de la simulación para Io1=600µA e Io2=50μA
m 1 m 7
f q 6 .0 M z
r = 00H
e f q 1 .0 M z
r = 00H
e
S1 ) .0 6/1 8 2
( ,1=0 2 - 7 .7 0 S2 ) .8 4/0 4
( ,2=0 1 - .0 6
im e a c = Z * ( .9 9-j 0 )
p d ne 0 0 4 0 1 .0 im e a c = Z * ( .7 4-j 3 )
p d ne 0 9 7 0 8 .0
m7
m1
S2 )
( ,2
S1 )
( ,1
f q 1 .0 M zo1 .0 G z
r ( 0 0 H t 0 0 H)
e
f q( 0 0 H t 1 .0 G z
r 1 .0 M zo 0 0 H )
e
Adaptación de entrada Adaptación de Salida
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
55. Diseño a nivel de esquemático
Resultados:
El resultado de la simulación para Io1=600µA e Io2=50μA
0
d mm ( o t1 })
B ( ixv u,{ ,0)
-0
1
-0
2
-0
3
P1dB = -19 dBm
-0
4
-0
5
-0
6
-0
5 -5
4 -0
4 -5
3 -0
3 -5
2 -0
2 -5
1 -0
1
R _p r
F w
P1dB - IIP3 = -9.6 dBm IIP3 = -9.4 dBm
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
56. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
57. Diseño a nivel de layout
Realización del layout
✔ Componentes colocados intentando conseguir la mayor
simetría posible
✔ Conexiones entre transistores espejos de corriente se
realizó aprovechando las diferentes capas de metal y
luego se ha rodeado con un anillo de guarda
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
58. Diseño a nivel de layout
Realización del layout
En primer lugar se han colocado los transistores que
forman los espejos de corriente
Transistores PMOS Transistores NMOS
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
59. Diseño a nivel de layout
Realización del layout
Siguiente paso es colocar los transistores BJT en el layout con
el área calculada en capítulos anteriores
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
60. Diseño a nivel de layout
Realización del layout
Layout completo en el que vemos todos los transistores que
forman el espejo de corriente y los transistores BJT
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
61. Diseño a nivel de layout
Realización del layout
Colocamos los pads para la conexión del circuito con el exterior
Área con pads= 800 x 430 μm2
Área sin pads= 62 x 44 μm2
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
62. Diseño a nivel de layout
Simulación post-layout
La ganancia del circuito para diferentes corrientes de polarización Io2 es
20
25
E q e aic 1 0 1
_C s 1 0 1
15
s u m to 0 u
W rt a e 0 u
T ic1 0 1
s u m to 0 1
20
W rt a e 0 1
ip a 0 u
E q e aic 5 u
_C s 5 u
10
ip a 0 1
Io2=100μA
T ic 5 u
15
Io2=50μA 5
os
10
os
0
5
-5
0 18
E 19
E 11
E0
18
E 19
E 11
E0
fqH
r , z
e
f qH
r , z
e
8
12
E q e aic3 0 1
_C s3 0 1
10 6
su m to 0 u
E q e aic2 0 1
_C s2 0 1
W rt a e 0 u
su m to 0 u
W rt ae 0 u
T ic3 0 1
8
ip a 0 u
T ic 2 0 1
ip a 0 u
4
6
Io2=200μA 4 2
Io2=300μA
os
os
2 0
0
-2
-2
18
E 19
E 11
E0
18
E 19
E 11
E0
f qH
r , z
e
fqH
r , z
e
-○- Esquemático -∆- Caso Típico -+- Peor Caso
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
63. Diseño a nivel de layout
Simulación post-layout
Otro parámetro que se analizó es la adaptación de entrada
0
-∆- Esquemático
d ( os a e ( ,1)
d ( c e aic ( ,1)
Bwrt s..S1 )
Bsh m t..S1 )
-0
1 -○- Caso Típico
Bt a ( ,1)
d (y ic ..S1 )
-0
2 -◊- Peor Caso
_c
-0
3
p
-0
4
-0
5
0 2 4 6 8 10
f qG z
r , H
e
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
64. Diseño a nivel de layout
Simulación post-layout
La figura de ruido para diferentes corrientes de polarización Io2 es
Io2=50μA Io2=100μA
Io2=200μA Io2=300μA
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
65. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
66. Medidas
Aquí vemos la fotografía del chip diseñado
Podemos ver que el área ocupada es muy pequeña y también
hay que destacar que el consumo es de solo 1.7mA
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
67. Medidas
Set-up medida parámetros S
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
68. Medidas
Ganancia del circuito variando corriente de polarización Io2
20
25
E q e aic 1 0 1
_C s 1 0 1
s u m to 0 u
W rt a e 0 u
s u m to 0 1
e id _1 0 1
W rt a e 0 1
15
E q e aic 5 u
Md a 0u
20
T ic 1 0 1
_C s 5 u
Md a 01
ip a 0 u
e id _5 u
ip a 0 1
T ic 5 u
15 10
Io2=50μA 10
Io2=100μA
os
os
5
5
0
0
19
E 11
E0
19
E 11
E0
f qH
r , z
e f qH
r , z
e
12 8
10
E q e aic 3 0 1
E q e aic 2 0 1
_C s 3 0 1
_C s 2 0 1
6
s u m to 0 u
s u m to 0 u
W rt a e 0 u
W rt a e 0 u
e id _3 0 1
e id _2 0 1
Md a 0u
T ic 3 0 1
Md a 0u
8
T ic 2 0 1
ip a 0 u
ip a 0 u
Io2=200μA 6
4
4
os
2
Io2=300μA
os
2
0
0
-2 -2
19
E 11
E0 19
E 11
E0
f qH
r , z
e f qH
r , z
e
-○- Esquemático -∆- Caso Típico -+- Peor Caso — Medida
La ganancia se comporta de manera similar al valor obtenido la simulación
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
69. Medidas
Adaptación de entrada del circuito
0
d ( e id _5 u ( ,1)
Bm d a 0 ..S1 )
d ( os a e ( ,1)
Bw rt s ..S1 )
d ( c e aic ( ,1)
Bs h m t..S1 ) -0
1
Bt a ( ,1)
d (y ic ..S1 )
-0
2
_c
-0
3
p
-0
4
-0
5
0 2 4 6 8 10
f qG z
r , H
e
-○- Esquemático -∆- Caso Típico -+- Peor Caso — Medida
El circuito está correctamente adaptado a la entrada
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
70. Medidas
Set-up medida figura de ruido
F u e n t e d e r u id o C a b le
la r g o
F u e n t e d e r u id o
C a b le
la r g o
LNA
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
71. Medidas
Figura de ruido:
Vemos que se cumple que
la figura de ruido aumenta
a medida que aumenta la
corriente de polarización
Io2
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
72. Medidas
Set-up medida punto de compresión a 1dB
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
73. Medidas
Punto de compresión a 1 dB
P1dB = -20.18 dBm
P1dB – IIP3 = -9.6 dB IIP3 = -10.58 dBm
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
74. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
75. Conclusiones
Io1 600 µA 600 µA 600 µA 600 µA 600 µA 600 µA
Io2 50 µA 100 µA 150 µA 200 µA 250 µA 300 µA
Ganancia 18 dB 14 dB 11.44 dB 9.4 dB 8 dB 6.7 dB
Ancho de Banda (-3dB) 820 MHz 1.3 GHz 1.9 GHz 2.7 GHz 3.26 GHz 4.3 GHz
NF 5.5 dB 6.5 dB 7.2 dB 8 dB 8.9 dB 9.6 dB
|Zin| 50 Ω 50 Ω 50 Ω 50 Ω 50 Ω 50 Ω
|Zout| 500 Ω 256 Ω 175 Ω 133 Ω 105 Ω 90 Ω
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
76. Conclusiones
Principales Características:
☞ Amplificador de ganancia variable con sólo variar corriente
de polarización Io2
☞ Área ocupada muy reducida
☞ Adaptación de entrada sin emplear bobinas
☞ Consumo muy pequeño
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
77. Conclusiones
Principales Características:
☞ Destacar posibilidades de nuevos estudios e
investigaciones
✔ Otro tipo de fuentes de corriente
✔ Diseñar etapa posterior
✔ Realizar diseño para un estándar concreto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
78. Índice
➥ Introducción
➥ Objetivos
BLOQUE 1 ➥ Convertidores de Corriente
➥ Características de los LNAs
➥ Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
➥ Diseño a nivel de esquemático
BLOQUE 2 ➥ Diseño a nivel de layout
➥ Medidas
➥ Conclusiones
BLOQUE 3 ➥ Presupuesto
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
79. Presupuesto
Costes Total(€)
Costes de herramientas software 106,21
Costes de equipos informáticos 288,12
Costes de medida 295,63
Costes de fabricación 344
Costes de recursos humanos 30550
Otros costes 514,2
Subtotal 32098,16
IGIC (5%) 1604,90
PRESUPUESTO TOTAL 33703,06
Junio 2008 Jonathan Arias Pérez
80. Análisis de viabilidad de utilizar
Convertidores de Corriente para la
fabricación de LNAs integrados
Autor: Jonathan Arias Pérez Tutor: Francisco Javier del Pino Suárez
EUITT Sistemas Electrónicos Cotutor: Sunil Lalchand Khemchandani
ULPGC Junio de 2008
Proyecto Fin de Carrera