Diseño de Circuitos Integrados de RF para un Receptor WLAN en la Banda de 5 GHz sobre una Tecnología de Silicio de Bajo Coste

Diseño de circuitos integrados de RF para un
receptor WLAN en la banda de 5 GHz sobre una
tecnología de silicio de bajo coste

Departamento de Electrónica y Automática
Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada
Universidad de Las Palmas de Gran Canaria

Autor: D. Sunil Lalchand Khemchandani
Directores: Dr. D. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. D. Antonio Hernández Ballester

Introducción

Diseño de circuitos integrados de RF para un receptor WLAN
en la banda de 5 GHz sobre una tecnología de silicio de bajo coste

Introducción
WLAN 802.11
802.11 b o g (2.4 GHz) 802.11a (5-6 GHz)
▲ más facil hacer terminales a 2.4 GHz ▼ más dificil hacer terminales a 5 GHz
▲ mayor cobertura ▼ menor cobertura
▲ son compatibles entre si ▼ no es compatible con b o g (dificultad al
implementar un transceiver de bajo coste para
ambos a la vez)

▲ espectro disponible 300MHz
▼ espectro disponible 83 MHz
▲ hasta 12 canales sin solapamiento
▼ sólo 3 canales sin solapamiento
▲ banda libre de interferencias
▼ banda con interferencias (microondas, telefonos
inalámbricos, bluetooth)

► tasa binaria máxima 11Mbps (b) / 54Mbps (g) ► tasa binaria máxima 54Mbps

IEEE 802.11a posee 12 canales de transmisión frente a los 3 de las versiones b y g
→ más usuarios se pueden conectar a ella


Introducción
Terminal WLAN a 2.4 GHz MAXIM


Objetivos

DISEÑO FABRICACIÓN Y MEDIDA DE UN CHIPSET
PARA UN RECEPTOR WLAN IEEE 802.11a EN
UNA TECNOLOGÍA DE BAJO COSTE

CINT5G: Desarrollo de Circuitos Integrados para redes de Area Local Inalámbricas en la banda
de 5 GHz TIC-2002-04323-C03-03


Objetivos
D E T E R M IN A C IÓ N D E
D IS E Ñ O T E R M IN A D O
E S P E C IF IC A C IO N E S G E N E R A L E S

SI
E L E C C IÓ N D E L A A R Q U IT E C T U R A

¿C U M P L E N L A S NO
E S P E C IF IC A C IO N E S
E S T A B L E C IM IE N T O D E L A S GEN ERA LES?
E S P E C IF IC A C IO N E S D E C A D A B L O Q U E

S IM U L A C IÓ N IN IC IA L D E L S IS T E M A S IM U L A C IÓ N F IN A L D E L S IS T E M A
(A D S ) (A D S )

D IS E Ñ O D E C A D A B L O Q U E
¿C U M P L E L A S
NO ( L N A , M e z c la d o r , F i lt r o s . . . )
(A D S C A D E N C E )
GEN ERA LES?

SI


Indice

SI


(A D S ) (A D S )

¿C U M P L E L A S
GEN ERA LES?

SI


Determinación de especificaciones generales

IEEE 802.11a
12 canales de transmisión con BW de 20 MHz cada uno
Permite la transmisión a 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps
OFDM (robusto frente al multitrayecto, desvanecimientos selectivos en frecuencia y a las interferencias de
RF) → Apto para dispositivos móviles
OFDM divide una cadena de datos de alta velocidad en 48 sub-portadoras que se solapan ortogonalmente
y que se transmiten en paralelo.
Cada sub-cadena se modula (BPSK, QPSK, 16-QAM ó 64 QAM) dependiendo de la tasa de bits requerida

800 mW
52 subportadoras de
300 KHz cada una
200 mW
40 mW

5.15G 5.25G 5.35G 5.725G 5.825G 20MHz


Determinación de especificaciones generales
IEEE 802.11a
Impedancia del puerto de la antena de 50 Ohmios
Máxima señal a la entrada del receptor: -30 dBm
Sensibilidad en función de la tasa de bits
Especificación de ACR y NACR: Rechazo al canal adyacente y no adyacente
El PER < 10% para los valores de Sensibilidad, ACR y NACR de la tabla
ACR NACR
Tasa de bits Sensibilidad mínima
Rechazo a canales Rechazo a canales no
(Mbits/s) (dBm)
adyacentes (dB) adyacentes (dB)

6 -82 16 32
9 -81 15 31
12 -79 13 29
18 -77 11 27
24 -74 8 24
36 -70 4 20
48 -66 0 16
54 -65 -1 15

Elección de la arquitectura
Conversión Directa Baja FI

~~ I
~~ I

F il t r o
F ilt r o F i lt r o
RF

~~ ~
RF RI

LN A
O L
S IN T E T IZ A D O R
S E L E C C IÓ N D E C A N A L ~
~ LN A
~~ ~ S IN T E T IZ A D O R
S E L E C C IÓ N D E C A N A L

90º O L
90º

~~ Q
~~ Q

Superheterodino Weaver

~
~ I
_
~~ I

F ilt r o F ilt r o F ilt r o ~~ +

RF RI FI

~ ~ ~~ ~
F il t r o

~ ~
RF

~~ ~
S in t e t iz a d o r
LN A IF
~
1150 a 1825 M Hz
LN A w 1
O L2 90º
w
90º 90º
2

~ ~
~ Q ~~ +

O L1= 4000 M Hz
+
~ Q


Baja FI

~~ I

F ilt r o F i lt r o
RF RI

~
~ LN A
O L
90º

~~ Q



F il t r o
~~ F i lt r o
I

P o l if á s ic o
I

~
F Ri l t Fr o F il t r o

~~~~
RI

~
RF


~
L
LN A N A 90º
O L
90º

~~
Q
Q
O L
S IN T E T IZ A D O R
S E L E C C IÓ N D E C A N A L ~
O L = -5 1 6 0 M H z F i lt r o P o lii f á s i c o
l O L=5160M Hz
F re c .Im a g e n
F r e c .I m a g e n

-5 1 8 0 -5 1 4 0 -2 0 20 5140 5180 M Hz

FI = 20 MHz


Tecnología


Tecnología

Amaya Goñi Iturri, “Aportaciones al diseño, simulación, caracterización y
modelado de inductores integrados sobre Silicio”, Tesis Doctoral, Abril 2007.


Establecimiento de las especificaciones de cada bloque

Frecuencia Ganancia IIP3/OIP3 NF Max P1dB
Fabricante Modelo
(GHz) (dB) (dBm) (dB) (dBm)

Hittite HMC318MS8G 5.0-6.0 9 -/13 4 2

Hittite HMC320MS8G 5.0-6.0 12 -/8 3.8 2

Maxim MAX2649 4.9-5.9 17 0/- 2.1 -

Maxim MAX2648 5.15-5.85 17.4 0/- 1.8 -



Aislamiento entre puertos
Rango de RF y FI Ganancia NF
Autor OL/FI (dB) IIP3/IIP2 (dBm)
OL (GHz) (GHz) (dB) (dB) OL/RF (dB)

[CHA02] 5.0-6.0 DC +9.23 19.5 - - 6/32
[COP00] 5.0-6.0 1 - - >50 >70 -/-
[KRI02] 5.15-5.825 0.9 +7.83 - >18.6 >101 6.6/-
[TIN00] 5.15-5.825 DC +13.7 12 - - 4.3/41
[CHI02] 5.15-5.825 DC 0 15 - - 3/50



Frecuencia central del cada canal
Banda (GHz) Frecuencia del Sintetizador RF – FI (MHz)
(MHz)

5180 5160
U-NII Banda inferior 5200 5180
(5.15-5.25) 5220 5200
5240 5220
5260 5240
U-NII Banda media (5.25- 5280 5260
5.35) 5300 5280
5320 5300
5745 5725
U-NII Banda superior 5765 5745
(5.725-5.825) 5785 5765
5805 5785


Especificaciones del sintetizador
Ruido de fase
Cálculos teóricos

PN(10MHz) = Pseñal - Pinterferente - SIR - 10·log(B)

SIR ≈ C/N + 5 dB Sensibilidad dBm = −174dBm + 10logB + NF + C/N

Umbral de ruido
16 dB

CA N A L
A D Y A CE N T E
S e n s ib ilid a d = - 8 2 d B m PN(100 kHz)=-65 dBc/Hz
CA N A L
D E SE A D O
PN(1 MHz)=-85 dBc/Hz
S IR
PN(10 MHz)=-105 dBc/Hz

f r e c u e n c ia
∆10 M H z

∆20 M H z



Ruido de fase 100 Potencia salida
Fabricante Modelo Frecuencia (GHz)
kHz (dBc) (dBm)
Hittite HMC430LP4 5.0-5.5 -103 2
Hittite HMC431LP4 5.5-6.1 -102 2

PN(100 kHz)=-80 dBc/Hz


Especificaciones del amplificador de FI y filtro de polifásico
Depende:
Especificaciones de los otros componentes (G LNA, tipo mezclador,...)
Elección del ADC

Teniendo en cuenta la bibliografía [LEE98] [MEL01] y la experiencia del IUMA se ha estimado una ganancia inicial de 40 dB

Frecuencia central de la banda de paso 20 MHz
Ancho banda de paso 20 MHz
Atenuación banda de paso 3 dB
Ancho banda paso+banda de transición 25 MHz
Atenuación para banda eliminada 23 dB


Indice

SI


(A D S ) (A D S )

¿C U M P L E L A S
GENERA LES?

SI


Simulación inicial del sistema

SIMULACIÓN ADS

Dl
ey
a
D1
N *Ln t
=2 egh*8

WA
LN
WALN SGNA
I L
RF R- X
FT I I
S uc
o re P DU
S
I
F RF A TN
NEA BRE
EPR
U De o e Bs
n c d d it
Q
W A _821_R
L N 01a F Q
Fr V
o_E M
W A _821_B R E
L N 01a E P R
S nlore
ig a uc
S G in F
aR R _L W
X O BR E
E PR
F ar r F rq
C r =I_Fe
ie R _T _Iin
F XF A p ie
ml r
if S3 Ln t egh
egh n t
=L
W A _821_R
L N 01a X
P wr b t ( ig a o e- x a )
o e=dm w nl wr _G in
o S P T R3 G in bo rtS nlo e,0
a =dpl Px ig a wr )
a - P R _A te p 0 7.1
X n m=2+23 5
T D l =2
ey
a
X1
B nw t F W
ad id =I_B
h I_Fe =I_Fe
F rq F rq Sat rm
t =f e
r a
L A a =1 d
N _G in 6 B Rn e uRn
I =D f l I
at
Ln t egh
egh n t
=L R _Fe =R _Fe
F rq F rq L A F .8
N _N =2 So=f m
t r e
p a
R u e uR u
Ot flOt
=D a t
Rt a
a =R t
e e R _B =R _B
F W F W
L A P =- .7
N _I3 4 3 R e p e uR e p
T m=D f l T m
at
O dr re
re=O dr T _G in x a
X a =T_G in
M e_G in 1 B
ixr a =3 d G in bl c=0
a I a ne .0
m a
S rml I ="1 1 1 1
ca b r it 0 1 0 "
en M e_N =2
ixr F 1 P ae bl c=0
hsI a ne .0
m a
Ie d
d =Ie
l l M e_I3 5
ixr P =2 R frq F rq
e e =I_Fe
F
W dwye pcictn
ino Tp=S eifa io R _Fe =R _Fe
F rq F rq S nitit H
esivy z
=1
TasioT e 0 ne
rnitn im=10 sc R _B =R _B
F W F W P ae .0
hs=0
G ad ye /
urTp=T4 I_Fe =I_Fe
F rq F rq Ln t egh
egh n t
=L
G ad t vl 6
urIe a
n r =1 I_B =I_B
F W F W Rt a
a =R t
e e
O dr re
re=O dr
S rml I ="1 1 1 1
ca b r it 0 1 0 "
en
G ad t vl 6
urIe a
n r =1
T Y =4-6 e
S M e sc
Fe Of t .0 z
rq fes =0 H

TRANSMISOR
E M IS O R RECEPTOR
RECEPTO R


Simulación inicial del sistema
AMPLIFICACIÓN
Y FILTRADO EN BANDA BASE

SIMULACIÓN ADS MEZCLADOR I

Pr
ot
G in F
aR G in F
aR B F utrotT e I
P _B t wr im d
e h
M eL s _I
ixro s I_A p
F m _I B1 Nm
u =3
M eR
ixrF G in b oa( ixr a ,0 G in b oa(F a ,0
a =d p lr e_G in )
M a =d p lr _G in )
I F e tr F rq
C ne=I_Fe
N is F ue 0
o e ig r=3 P s B n w t=2 M z
a s a d idh 0 H
M e_I
ixr
N is F ue ixr F G T p =T I
o e ig r=M e_N C ye O P s Atn .
a s t =3
e
LNA T Iu=d mo ( ixr P )
Oo t b tw e_I3
M So B n w t=1 * I_Fe
tp a d idh .2 F rq
T p =R m u L
ye F in s O
RR j 2
fe=- 0 So Atn 0
tp t =5 .
e
IR j2
m e=- 0 N=5
LR j2
o e=- 5

Pr
ot
A tn R A te p
ne a x nT m K G in F
aR B F utrotT e S ltrF
P _B t wr im d pit R
e h e
Nm R
u =1 1 LA a
N G in L A il r
N Ft e S1
T m K X nT m G in b oa( N _G in ) F e tr .5G z
e p =R _A te p a =d p lr A a ,0 C ne=5 H
L
N is F ue N _N
o e ig r=L A F P s B n w t=1G z
a s a d idh H
G T p =T I
C ye O P s Atn .
a s t =3
e
T Iu=d mo ( N _I3 So B n w t=1 G z
Oo t b tw A P ) tp a d idh .4 H
L Pr
ot
So Atn 0
tp t =5 .
e
G in F
aR G in F
aR B F utrotT e Q
P _B t wr im d
e h
N=5 Nm
u =2
M eL s _Q
ixro s I_A p
F m _Q B2
G in b oa( ixr a ,0 G in b oa(F a ,0 F e tr F rq
a =d p lr e_G in )
M a =d p lr _G in ) C ne=I_Fe
I
M eR
ixrF
M e_Q
ixr N is F ue 0
o e ig r=3 P s B n w t=2 M z
a s a d idh 0 H
N is F ue ixr F G T p =T I
o e ig r=M e_N C ye O P s Atn .
a s t =3
e
T Iu=d mo ( ixr P )
Oo t b tw e_I3
M So B n w t=1 * I_Fe
tp a d idh .2 F rq
T p =R m u L
ye F in s O
RR j 2
fe=- 0 So Atn 0
tp t =5 .
e
N=5
IR j2
m e=- 0
LR j2
o e=- 5

MEZCLADOR Q
S ltrF
pit R
e
S3 P a e h tF
h s S ifR
N2
N oe
_T n s
N1 P ae ht 0
h s S if=9
Fe u n y=R _Fe -F rq
rq e c1 F rqI_Fe
P wr=d mo (1 )
o e1 b tw 0 -
A d io aT n s ( * ( F rqI_Fe ), ( *( F rqI_Fe ))
d it n lo e =" 2 R _Fe -F rq) 4 R _Fe -F rq "
P a e o e aa 5 0 3 - 5 1 6 - 7 3 6 - 9 5 6 - 7 1 e , - 1 "
h s N is D t=" 0 e , 7 , e , 7 , e , 7 , e , 8 , 0 6 1 6

SINTETIZADOR


Análisis del sistema inicial
Se ha comprobado que el PER < 10%
Mínima señal a la entrada
Máxima señal a la entrada

El requisito del ACR
El requisito del NACR

Generador WLAN adicional



SIMULACIÓN ADS: Mínima señal a la entrada -82 dBm
Id x
ne PR
E BR
E
10
0 0 0
.0 0 0 0
.0 0

-0
6 -0
6
B ( a( ne a )
d mv r A tn ")

-0
8 -0
8

B (N )
d mL A
-0
10 -0
10
"1

-2
10 -2
10

-4
10 -4
10

-6
10 -6
10
5 0
.0 5 5
.0 5 0
.1 5 5
.1 5 0
.2 5 5
.2 5 0
.3 5 5
.3 5 0
.0 5 5
.0 5 0
.1 5 5
.1 5 0
.2 5 5
.2 5 0
.3 5 5
.3

f qG z
r , H
e f qG z
r , H
e
()
a ()
b

50 -0
2
d mS tta o)
B ( ineiz d r

0 -0
4
d mI)
B (F

-0
5 -0
6

-0
10 -0
8

-5
10 -0
10
5 0
.0 5 5
.0 5 0
.1 5 5
.1 5 0
.2 5 5
.2 5 0
.3 5 5
.3 0 20 40 60 80 10
0

f qG z
r , H
e f qM z
r , H
e
()
c ()
d



SIMULACIÓN ADS: Mínima señal a la entrada -82 dBm
Id x
ne PR
E BR
E
10
0 00
.0 0 00
.0 0

-0
6 -0
6
B ( a( ne a )
d mv r A tn ")

-0
8 -0
8

B (N )
d mL A
-0
10 -0
10
"1

-2
10 -2
10

-4
10 -4
10

-6
10 -6
10
5 0 5 5 5 0 5 5 5 0 5 5 5 0 5 5 6 0
.6 .6 .7 .7 .8 .8 .9 .9 .0 5 0 5 5 5 0 5 5 5 0 5 5 5 0 5 5 6 0
.6 .6 .7 .7 .8 .8 .9 .9 .0

f qG z
r , H
e f qG z
r , H
e
()
a ()
b

50 0

-0
2
d mS tta o)
B ( ineiz d r

0

-0
4
d mI)
B (F

-0
5
-0
6

-0
10
-0
8

-5
10 -0
10
5 0
.6 5 5
.6 5 0
.7 5 5
.7 5 0
.8 5 5
.8 5 0
.9 5 5
.9 0 20 40 60 80 10
0

f qG z
r , H
e f qM z
r , H
e
()
c ()
d



SIMULACIÓN ADS: Máxima señal a la entrada -30dBm
Id x
ne PR
E BR
E
10
0 0 0
.0 0 00
.0 0

- 0- 0
6 2 -00
6-2
B ( a( ne a )
d mv r A tn ")
B ( a( ne a )

-00
8-4
d mv r A tn ")

- 0- 0
8 4

B (N )
-0
6

B (N )
d mL A
d mL A
-0 -0
10 6 -0
10
"1
"1

-0
8
-2 -0
10 8 -2
10
-0
10
- 4- 0
1 01 0 -4
10
-2
10

- 6- 2
1 01 0 -64
1- 0
01
5 0 .0 .6 5 5 0 5 .7 5.8
.6 5 5 5 .0
0 5.7 50
.1 5 5 5 5 5 5 .2 5 5 06 5 5
.10 5 0 .9 5 .9
.8
.2 50 5.3 .0 .3
0 5 5 0 .65 5.7 5 5 5 55 0 5 .8 5 5 5.3 6 .3
.6.0 5 5.05 0 .1.7 .1
0 0 .8
5 50
.2 5 .2
.90 55
.90 .0 5
50

f qeH H
r f qG z
er ,z
,G ff,qHH
rr GG z
ee , z
q
( )a
a( ) (( )
bb
)

5 5
0 0 020
d mS tta o)
B ( ineiz d r
d mS tta o)
B ( ineiz d r

0 -00
2
0 d mI)
-00
4-2
d mI)
B (F
B (F

- 0- 0
5 5
-00
6-4

- 0- 0
1 01 0
-00
8-6

- 5- 5
1 01 0 - 0- 0
10 8
5 0 .0 5 5.0 5 0.1 5 5.1 5 0 0 .8 .2 5 0 05 5 5
.6 5 0 .65 5 .75 0 .75 5 .8 .2 5 5 5 .9 .3 .9 .3
5 5 5 5 00 22
00 44
00 66
00 88
00 00
1
100

f qeH H
r f qG z
er , z
,G ff,q H z
e ,M
re H
rq M z
( )c
c( ) (( )
dd
)



SIMULACIÓN ADS
El requisito del ACR
El requisito del NACR


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