Este documento describe el diseño e implementación física de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS de 0.18 μm. Se presenta la arquitectura del cabezal de recepción basada en Low-IF, que incluye un amplificador de bajo ruido, un mezclador y dos amplificadores de transimpedancia. Se detalla el proceso de diseño a nivel de layout de cada bloque y del cabezal completo en Cadence. Finalmente, se muestran los resultados de simulación para

1. Implementación física y verificación de
un cabezal de recepción para el estándar
IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18
µm
TITULACIÓN: MÁSTER EN TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIÓN
AUTOR: SERGIO MATEOS ANGULO
TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ
DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI

2. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

3. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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4. Introducción
Redes de sensores
Demanda: Dispositivos de bajo coste y larga vida útil
Propósito: Monitorizar condiciones físicas
Ventajas: Despliegue rápido sin necesidad de largas longitudes de cable, alta flexibilidad
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4

5. Introducción
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5

6. Introducción
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6

7. Introducción
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7

8. Introducción
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8
RF
2,4 GHz
Banda
Base

9. Introducción
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9
RF
2,4 GHz
Banda
Base

10. Introducción
Receptor Cero-IF
Ventajas: Simplicidad, evita el problema de frecuencia imagen, menor coste en área
Desventajas: DC offset, fugas del LO, asimetría I/Q, distorsión de 2º orden, ruido flicker
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11. Introducción
Receptor Low-IF
Ventajas: Simple, se minimizan los problemas de DC offset y ruido flicker
Desventajas: Frecuencia imagen
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11

12. Introducción
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12
Low-IF

13. Cabezal de recepción diseñado Low-IF
LNA
TIA
TIA
PGA
PGA
I
Q
Rx
Cabezal de
recepción
Filtro polifásico
Introducción
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13

14. Introducción
14
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ComRAD
Diseño de circuitos de comunicaciones para alta radiación
ambiental
TEC2015-71072-C3-1-R (MINECO/FEDER)

15. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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16. Objetivos
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Obtener el layout de un cabezal de recepción basado en la arquitectura low-IF para el estándar
IEEE 802.15.4.
Tecnología UMC 0.18 µm
Herramienta de diseño
Simulaciones (Dynamic Link)

17. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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18. Amplificador de bajo ruido
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18
Función: Amplificar y adaptar la
señal de RF entrante aportando el
mínimo ruido
Adaptación a la entrada a 50Ω
Figura de ruido
Ganancia
Linealidad

19. Amplificador de bajo ruido
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19
Vc
Ld
Cd
Ls
Cex
Lg
M1
M2
CcRFin
Vctr

20. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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21. Mezclador
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21
 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

22. Mezclador
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22
LO-
LO-
LO-
LO-
LO+
LO+
LO+
LO+
I +
I -
Q +
Q -
Cbp

23. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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24. Amplificador de transimpedancia
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24
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

25. Amplificador de transimpedancia
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25
R1
R1
R2
R2
C
C
Out +
Out -
RR
RR
R
12
21
ef



26. Amplificador de transimpedancia
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26
R1
R1
R2
R2
C
C
Out +
Out -
OUT
IN
Vdd
M1P
M2P
M1N M2N
SW1 SW2

27. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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28. Proceso de diseño
Pasar los esquemáticos a Cadence
Realizar el diseño a nivel de layout
Comprobar las reglas de diseño (DRC)
Comparación layout vs schematic
Extraído de R y C
Simulaciones
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29. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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30. LNA
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30

31. LNA
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31
2
1
REFout I
(W/L)
(W/L)
=I

32. LNA
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32
2
1
REFout I
(W/L)
(W/L)
=I

33. LNA
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33
2
1
REFout I
(W/L)
(W/L)
=I

34. LNA
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34

35. LNA
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35

36. LNA
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36

37. LNA
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37

38. LNA
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38

39. LNA
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39

40. LNA
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
40

41. LNA
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
41

42. LNA
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42
Resistencias parásitas

43. LNA
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43
Capacidades parásitas

44. LNA
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44
LC2
1
=f0


45. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
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45
BLOQUE 1
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46. Mezclador
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
46

47. Mezclador
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47
Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]
2.5 44.7 10.3

48. Mezclador
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48

49. Mezclador
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
49

50. Mezclador
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50

51. Mezclador
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
51

52. Mezclador
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52
Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]
2.5 44.3 10.7

53. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
53
BLOQUE 1
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54. TIA
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
54

55. TIA
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
55

56. TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
56
Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]
2.5 44.7 10.3

57. TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
57

58. TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
58

59. TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
59

60. TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
60

61. TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
61

62. TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
62

63. TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
63
Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]
2.5 44.3 10.6

64. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
64
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

65. Cabezal de recepción
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
65

66. Cabezal de recepción
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
66

67. Cabezal de recepción
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
67

68. Cabezal de recepción
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
68

69. Cabezal de recepción
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
69

70. Cabezal de recepción
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
70

71. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
71
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

72. Resultados de simulación
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
72

73. Resultados de simulación
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
73
NF y ganancia para toda la banda

74. Resultados de simulación
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
74
NF para un canal

75. Resultados de simulación
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802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
75
Ganancia
del LNA [dB]
Ganancia
del TIA [dB]
Ganancia
del Receptor
[dB]
NF del
Receptor
[dB]
4 1 5.7 43
18 1 21 28
4 24 29 25
18 24 44.7 10.3
Distintos modos de ganancia (Esquemático)

76. Resultados de simulación
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
76
Ganancia
del LNA [dB]
Ganancia
del TIA [dB]
Ganancia
del Receptor
[dB]
NF del
Receptor
[dB]
2.6 1 3.8 45
17.2 1 19 30
2.6 24 27.4 26.7
17.2 24 42.7 12
Distintos modos de ganancia (Post-layout)

77. Resultados de simulación
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
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77
Respuesta en frecuencia

78. Resultados de simulación
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
78
Adaptación de entrada

79. Resultados de simulación
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
79
Esquemático Post-layout
Linealidad

80. Resultados de simulación
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80
mW4.334=Ptotal
𝑃𝐿𝑁𝐴 = 3.06 𝑚𝑊 𝑃 𝑇𝐼𝐴 = 0.084 𝑚𝑊
𝑃𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 = 1.19 𝑚𝑊
Consumo de potencia

81. Índice
oIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepción
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layout
o Proceso de diseño
o Amplificador de bajo ruido (LNA)
o Mezclador
o Amplificador de transimpedancia (TIA)
o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
81
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3

82. Conclusiones
Obtener el layout de un cabezal de recepción basado en la arquitectura low-IF para el estándar
IEEE 802.15.4.
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
82

83. Conclusiones
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
83
Parámetros Especificaciones
Resultados del
esquemático
Resultados post-
layout
Consumo de potencia [mW] El menor posible 4.334 4.334
Ganancia del receptor [dB] >30 (FE1) 44.7 (FE) 42.7
Variación de ganancia [dB] 65 (FE1 + BB2) 39 (FE) 38.9
NF [dB] <15.5 10.3 12
Rechazo imagen [dBc] >20 34 34
IIP3 [dBm] >-32 para máxima ganancia 0 para máxima ganancia
2.5 para máxima
ganancia
Sensibilidad [dB] -85 -85 -85

84. Conclusiones
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
84
Referencia
[2]
(LNA+MIX+
TIA+PGA)
[1]
(LNA+MIX)
[4]
(LNA+MIX+PG
A)
Este trabajo:
Esquemático
(LNA+MIX+
TIA)
Este trabajo:
Post-Layout
(LNA+MIX+
TIA)
Tecnología
CMOS [μm]
0.18 0.18 0.18 0.18 0.18
Ganancia [dB] 86 30 - 44.7 42.7
NF [dB] 8.5 7.3 <10 10.3 12
IIP3 [dBm] -8 -8 >-15 0 2.5
Consumo de
potencia [mW]
12.63 6.3 10.8 4.334 4.334

85. Conclusiones
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE
802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
85

86. Líneas futuras
Líneas futuras
Diseño del resto de circuitos
Layout del resto del transceptor
Análisis del efecto de la radiación
Fabricación y mediciones
DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 86

87. Implementación física y verificación de
un cabezal de recepción para el estándar
IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18
µm
TITULACIÓN: MÁSTER EN TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIÓN
AUTOR: SERGIO MATEOS ANGULO
TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ
DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI