Este documento describe el diseño de un filtro polifásico para un receptor IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 μm. El objetivo principal es diseñar un filtro polifásico de bajo consumo para eliminar las frecuencias imagen en la banda de 2.4 GHz. El documento comienza explicando la teoría básica de los filtros y luego describe el diseño de un filtro paso bajo pasivo, un filtro activo basado en la topología Gm-C y la teoría de los filtros polifásicos. Finalmente

1. Diseño de un filtro polifásico
para un receptor IEEE 802.15.4
en tecnología CMOS 0.18 µm
TITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN
AUTOR: DANIEL MAYOR DUARTE
TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ
DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI

2. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 2
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BLOQUE 3

3. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 3
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4. Esquema general de un receptor de RF
Cabezal de recepción
Introducción
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 4
Esteproyecto

5. Aparición de frecuencias imagen
Introducción
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 5

6. Introducción
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 6
Diferentes tipos de solución:
 Filtro rechaza imagen
 Estructuras basadas en multiplicadores
activos
 FILTRO POLIFÁSICO

7. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 7
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8. Objetivos
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 8
Diseño de un filtro polifásico para el estándar IEEE 802.15.4 en
la banda de 2.4 GHz de bajo consumo
Tecnología CMOS 0.18 μm
(UMC)
Advanced Design System
(Keysight)

9. Objetivos
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 9
Parámetros Especificaciones
Frecuencia central 2.5 MHz
Ancho de banda 3 MHz
Frecuencia canal adyacente ±5 MHz
Frecuencia canal alterno ±10 MHz
Rechazo canal adyacente 0 dB
Rechazo canal alterno 30 dB

10. Objetivos
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 10
1. FILTRO PASO BAJO PASIVO
2. FILTRO PASO BAJO ACTIVO
3. FILTRO POLIFÁSICO ACTIVO

11. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 11
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12. Teoría básica de filtros
Función principal Rechazar todas las frecuencias menos la deseada
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 12

13. Teoría básica de filtros
Clasificación según el rango de frecuencias en el que operan:
 Paso bajo
 Paso alto
 Paso banda
 Elimina banda
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 13

14. Teoría básica de filtros
Clasificación según los componentes que la forman:
Pasivos No posee ningún elemento que amplifique
Ejemplos: Filtros LC y de microonda
Ventajas
 Baja sensibilidad a las variaciones de los componentes
 No consumen potencia
 Alta frecuencia
 Aptos para tensiones y corrientes elevados
 Bajo ruido
Desventajas
 No dan ganancia
 Necesidad de inductores (Problemas con el área cuando se integra)
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 14

15. Teoría básica de filtros
Clasificación según los componentes que la forman:
Activos Emplean elementos que amplifican
Ejemplos: SC, RC y gm-C
Ventajas
 Ganancia
 Impedancias ajustables
 Fácilmente integrables ( no poseen inductores)
Desventajas
 Frecuencia limitada
 Ruido debido a la circuitería
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 15

16. Teoría básica de filtros
Efectos de segundo orden
DC offsets: Puede corromper las señales y saturar las etapas siguientes. Se puede compensar
en caso necesario y afecta más a los filtros paso bajo
Ruido: Debe ser menor que el bit
menos significativo del A/D
Distorsión: Producida de dos formas
 Por no linealidades en el filtro
 Por intermodulación (IM)
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 16

17. Teoría básica de filtros
Respuesta de las distintas aproximaciones
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 17
Butterworth (máximamente plano)
Chebyshev o de igual rizado
Chebyshev inverso
Bessel-Thompson
Elíptico igual rizado o Cauer

18. Teoría básica de filtros
Filtro Butterworth
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 18
 Respuestas planas en banda de paso
 El orden del filtro corresponde al
número de polos
 Rechazo fuera de la banda de paso inferior al de
otro tipo de aproximaciones

19. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 19
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20. Diseño del filtro paso bajo pasivo
Herramienta de diseño de filtros de ADS
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 20
 Ancho de banda 1.5 MHz
 Rechazo en la banda de paso 3dB
 Frecuencia canal alterno 7.5MHz
 Rechazo en el canal alterno 30dB
 Impedancia de entrada 12KΩ
 Impedancia de salida 12KΩ

21. Diseño del filtro paso bajo pasivo
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 21
Filtro pasivo resultante

22. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 22
BLOQUE 1
BLOQUE 2
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23. Topología Gm-C
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 23
 Está basada en el uso de transconductores
 Buena relación de compromiso entre:
 Consumo
 Ruido
 Frecuencia de trabajo
 Uso eficiente del ancho de banda
 Formado por transconductores y condensadores
 Idóneo para frecuencias intermedias

24. Topología Gm-C
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 24
Resistencia simulada con OTAs
Integradores simulados con OTAs
𝑅 =
𝑉
𝐼
𝑉𝑜
𝑉𝑖
=
𝑔𝑚
𝑠𝐶

25. Topología Gm-C
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 25
Giradores simulados con OTAs
𝐿 =
𝐶
𝑔𝑚2 ⇒ 𝑔𝑚 =
𝐶
𝐿

26. DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18
UM
26
Topología Gm-C
Filtros de primer y segundo orden

27. DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18
UM
27
Topología Gm-C
Filtros de orden superior
Dos formas de realizarlos :
 Conectar varias estructuras de primer y segundo orden
en cascada
 Simulación de filtros pasivos en escalera (Laddder)

28. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 28
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29. Filtro activo paso bajo con OTAs ideales
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 29
Filtro pasivo resultante
Girador a emplear
L = 2.54444 𝑚𝐻
C1 = 8.8345 pF
C2 = 8.8345 pF
C = 10pF

30. Filtro activo paso bajo con OTAs ideales
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 30
Fuente de corriente controlada por tensión ideal (OTA ideal)
Cálculo del valor de transconductancia
𝐺𝑚 =
𝐶
𝐿
L = 2.54444 𝑚𝐻
C = 10 pF
𝐺𝑚 = 63 µ𝑆

31. Filtro activo paso bajo con OTAs ideales
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 31

32. Filtro activo paso bajo con OTAs ideales
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 32
Respuesta del filtro pasivo vs. Respuesta de filtro activo con transconductores ideales

33. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología Gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 33
BLOQUE 1
BLOQUE 2
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34. OTA de Nauta
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 34
Características principales:
 Área reducida
 Bajo consumo
 Simétrico frente a los inversores que
lo forman
 No tiene nodos internos

35. Metodología Gm/Id
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 35
 Reducción de tamaño de los transistores
 Disminuyen tensiones de alimentación
¿SOLUCIÓN? Gm/Id
 Pérdida de ganancia
 Disminución del rango dinámico
 …

36. Metodología Gm/Id
Funcionamiento del transistor
Tres regiones:
 Corte:
𝑉𝐺𝑆 ≤ 𝑉𝑇; 𝑉𝐷𝑆 > 0 → 𝐼 𝐷
 Lineal u óhmica:
𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑇; 0 ≤ 𝑉𝐷𝑆 ≤ 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 → 𝐼 𝐷 =
𝐾 · 𝑊
𝐿
𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 𝑉𝐷𝑆 −
𝑉𝐷𝑆
2
2
 Saturación
𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑇; 𝑉𝐷𝑆 > 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 → 𝐼 𝐷 =
𝑘
2
·
𝑊
𝐿
· 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇
2
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 36

37. Metodología Gm/Id
Por debajo de la tensión umbral corriente
no nula
Tres niveles de inversión
 Débil
 Fuerte
 Moderada
Necesidad de curvas para poder aplicar
esta metodología en el modelado
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 37

38. Metodología Gm/Id
Circuito para extraer curvas del transistor tipo N
Circuito para extraer curvas del transistor tipo P
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 38

39. Metodología Gm/Id
Curvas del transistor tipo N
Curvas del transistor tipo P
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 39
𝐺𝑚
𝐼𝑑
𝐼𝑑
𝑊/𝐿

40. Diseño del OTA real
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 40
 𝐺𝑚 =
𝐶 𝐿
𝐿 𝐿
= 63 µS
 Para asegurar que trabaja en región moderada
𝐺𝑚/𝐼𝑑 = 20
Transistor Ancho (W) Longitud (L)
N 0.24 µm 0.36 µm
P 2.49 µm 0.36 µm

41. Diseño del OTA real
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 41
Avdc 43.53 dB
f3dB 6.31 MHz
gm 63 µS
ro 2.350 MΩ
Co 10.73 fF
pm 86.88º
Ci 23.21 fF

42. Filtro paso bajo con OTAs reales
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 42
v
AMPLIFICADOR IMPEDANCIA BOBINA SUSTITUIDA IMPEDANCIA
DE ENTRADA POR UN GIRADOR DE SALIDA
BALUN

43. Filtro paso bajo con OTAs reales
Respuesta en frecuencia y consumo
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 43

44. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 44
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

45. Teoría de filtros polifásicos
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 45

46. Teoría de filtros polifásicos
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 46
Filtro paso bajo
Filtro paso banda complejo
Filtro paso banda

47. Teoría de filtros polifásicos
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 47

48. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 48
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

49. Filtro polifásico con OTAs ideales
Desplazamiento en frecuencias de la respuesta del filtro
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 49

50. Filtro polifásico con OTAs ideales
Cálculo de transconductancias de las ramas integradoras
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
50
• Estas transconductancias vienen dadas por la expresión:
𝑔𝑚𝑖 = 2𝜋𝑓𝑐 · 𝐶𝑖
Donde:
• fc= 2.5 MHz
• C2=10 pF
• C13= 8.8 pF
Por lo tanto:
• gm13= 157 µS
• gm2 = 138 µS

51. Filtro polifásico con OTAs ideales
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 51

52. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 52
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

53. Filtro polifásico con OTAs reales
Aplicamos Gm/Id para dimensionar los transconductores de las ramas integradoras
Para gm13 = 138 µS
Para gm2 = 157 µS
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 53
Transistor Ancho (W) Longitud (L)
N 0.59 µm 0.3 µm
P 3.9 µm 0.3 µm
Transistor Ancho (W) Longitud (L)
N 0.67 µm 0.3 µm
P 4.43 µm 0.3 µm

54. Filtro polifásico con OTAs reales
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 54

55. Filtro polifásico con OTAs reales
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 55
Consumo de 1.38 mA

56. Filtro polifásico con OTAs reales
Técnica 1: Rediseñar los OTAs integradores
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 56

57. Filtro polifásico con OTAs reales
Técnica 1: Rediseñar los OTAs integradores
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 57
Consumo de 1.36 mA

58. Filtro polifásico con OTAs reales
Técnica 2: Simplificar ramas I y Q
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 58

59. Filtro polifásico con OTAs reales
Técnica 2: Simplificar ramas I y Q
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 59
Consumo de 0.85 mA

60. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 60
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

61. Receptor completo: Frecuencia intermedia
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 61

62. Amplificador de bajo ruido
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 62
Función: Amplificar y adaptar la
señal de RF entrante aportando el
mínimo ruido
Adaptación a la entrada a 50Ω
Figura de ruido
Ganancia
Linealidad

63. Amplificador de bajo ruido
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 63
Vc
Ld
Cd
Ls
Cex
Lg
M1
M2
CcRFin
Vctr

64. Mezclador
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 64
 Función: Desplazar la señal de RF
de entrada a la frecuencia IF deseada
 Frecuencia de RF : 2.4 GHz
 Frecuencia de IF : 2.5 MHz
 Frecuencia de OL : 2.3975 GHz
 Frecuencia IF = Frecuencia RF ±
Frecuencia LO

65. Mezclador
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 65
LO-
LO-
LO-
LO-
LO+
LO+
LO+
LO+
I +
I -
Q +
Q -
Cbp

66. Amplificador de transimpedancia
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 66
Función: Amplificar la señal de
corriente de entrada y proporcionar
una señal de tensión en la salida
Compensa la ausencia de ganancia
del mezclador
Dos TIAs: Uno para la rama I y otro
para la Q

67. Amplificador de transimpedancia
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 67
R1
R1
R2
R2
C
C
Out +
Out -
RR
RR
R
12
21
ef



68. Amplificador de transimpedancia
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 68
R1
R1
R2
R2
C
C
Out +
Out -
OUT
IN
Vdd
M1P
M2P
M1N M2N
SW1 SW2

69. Receptor
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 69
LNA Gain
[dB]
TIA Gain
[dB]
Rx Gain
[dB]
Rx NF
[dB]
4 1 6 43
18 1 20 28
4 24 29 25
18 24 44 10.3
Distintos modos de ganancia

70. NF y ganancia para toda la banda Figura de ruido para un canal
70
Resultados de simulación
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

71. Adaptación a la entrada Linealidad
71
Resultados de simulación
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

72. Respuesta en frecuencia
72
Resultados de simulación
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

73. Resultados de simulación
Consumo de potencia
73
mW4.334=PtotalLNA
TIA
TIA
I
Q
Rx
Cabezal de
recepción
Filtro polifásico
𝑃𝐿𝑁𝐴 = 3.06 𝑚𝑊 𝑃 𝑇𝐼𝐴 = 0.084 𝑚𝑊
𝑃𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 = 1.19 𝑚𝑊
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

74. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 74
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

75. Conclusiones
Objetivo: Obtener un filtro polifásico para el estándar IEEE 802.15.4 en 2,4 GHz usando la
tecnología CMOS 0.18 μm. Debe estar centrado en 2.5 MHz y tener una ancho de banda de 3
MHz. Además el rechazo de imagen del receptor debía mayor de 20 dB.
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 75

76. Conclusiones
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 76
Parámetros Especificaciones Resultados
Consumo de potencia [mW] El menor posible 4.19
Ganancia del receptor [dB]
>30 (FE)
[-20,65] (BB)
44 (FE)
--
Variación de ganancia [dB] 65 (FE + BB) 37 (FE)
NF [dB] <15.5 10.3
Rechazo imagen [dBc] >20 34
IIP3 [dBm]
>-32 para máxima ganancia
>-10 para ganancia mínima
0 para máxima ganancia
--
Sensibilidad [dB] -85 -85

77. Conclusiones
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 77
Referencia
[1]
(LNA+MIX+TIA+
PGA)
[2]
(LNA+MIX)
[4]
(LNA+MIX+PGA)
Este trabajo
(LNA+MIX+TIA)
Tecnología
CMOS [μm]
0.18 0.18 0.18 0.18
Ganancia [dB] 86 30 - 44
NF [dB] 8.5 7.3 <10 10.3
IIP3 [dB] -8 -8 >-15 0
Consumo de
potencia [mW]
12.63 6.3 10.8 4.19

78. Conclusiones
DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 78

79. Líneas futuras
Conclusiones
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 79
 Diseño del circuito de regulación de tensión
 Layout del circuito y simulaciones post-layout
 Integración con el resto del transceptor
 Fabricación y medidas experimentales sobre
el chip

80. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 80
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

81. Presupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 81
Concepto Coste
Trabajo tarifado por tiempo empleado 4344,00 €
Amortización del material hardware 73,89 €
Amortización del material software 574,08 €
Redacción del trabajo 349,44 €
Derechos de visado del COITT 18,69 €
Gastos de tramitación y envío 6,00 €
Costes de material fungible 50,00 €
Subtotal 5.416,10 €
I.G.I.C. (7%) 379,13 €
TOTAL 5.795,23 €

82. Diseño de un filtro polifásico
para un receptor IEEE 802.15.4
en tecnología CMOS 0.18 µm
TITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN
AUTOR: DANIEL MAYOR DUARTE
TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ
DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI