1
Diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA)
para el estándar inalámbrico UWB en
tecnología SiGe 0.35 μm
Autor: JesAutor: Jesúús Rubs Rubéén Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino Sn Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino Suuáárezrez
ETSIT IngenierETSIT Ingenieríía Electra Electróónica nica CotutoraCotutora: Amaya Go: Amaya Goññi i IturriIturri
ULPGC ULPGC Mayo de 2007Mayo de 2007
Proyecto Fin de Proyecto Fin de CarreraCarrera
2
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 m de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
3
• Introducción
4
• Introducción
– Redes Inalámbricas Fijas» MMDS» LMDS» Microondas punto a punto» Enlaces ópticos
– Redes Inalámbricas Móviles» WWAN» WMAN» WLAN» WPAN
5
Introducción
6
• Introducción
– Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band)– Velocidades de transmisión de hasta 400-500 Mbps
7
•Introducción
Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band)
• Generación de señales de UWB:• IR-UWB• CB-UWB
• FCC (Federal Communications
Commissions)• 802.15.3a basados probablemente en CB-UWB
• MBOA (Multiband
OFDM Alliance) • Espectro de 3.1-10.6 GHz• 14 bandas de 528 MHz• Moduladas en QPSK-OFDM 128• Tasa de datos de 53.3-480 Mbps
8
LNA Filtro ADC
Sintetizador
PA Filtro DAC
Banda Base
MACFiltro
Transceiver
de UWB
•Introducción
9
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 m de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
10
Objetivos
-
Diseño de un LNA con tecnología SiGe 0,35 m
para el
estándar inalámbrico IEEE 802.15.3a.
-
Integración de dicho amplificador en un receptor de
conversión directa.
-
Verificación de la validez de la tecnología empleada en
la implementación de un LNA para dicho estándar.
11
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 m de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
12
• Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF)
Características del estándar IEEE 802.15.3a
13
• Características de los sistemas de RF
•
Ganancia
•
Figura de ruido (NF)
•
Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3)
•
Coeficiente de onda estacionario (VSWR)
14
•
Ganancia
Relación entre las amplitudes de las señales de entrada y salida de un circuito
entrada
salida
VVG
entrada
salida
VVdBG log20)(
LNA
15
• Figura de ruido
t
Vn
ANi
N
GPPF
0
000 //
SNRSNR
PPPP
F i
NS
iNiS
F
21 |Vn|T
)(dBFNF
16
Para dos etapas en cascada:
1
21
1
AGFFF
NF1GA1
NF2GA2
17
• Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3)
Nos informa acerca de la linealidad de un circuito
1
2
OIM3
OIM3
1
2
Señal deseada
1-2
1
2 2-1
Señal deseada
1-2
1
2 2-1
18
1-2
1
2 2-1
∆P
Pin
IM3
∆P
IIP3 Pentrada
(dBm)
Psalida
(dBm)
2P Potencia de la señal
principal
Potencia de IM
(IM3)
20 log
(Ain)
OIP3
2P
1
2
Curvas Reales
19
• Coeficiente de onda estacionario (VSWR)
Medida cuantitativa de la adaptación del circuito a la entrada (VSWR1) o a la salida (VSWR2).
11
__||
VSWRVSWR
reflejadaOndaincidenteOnda
L
20
• Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF)
Características del estándar IEEE 802.15.3a
21
Características del estándar IEEE 802.15.3a
• Propuesto por la MBOA» Espectro de 3.1-10.6 GHz» 14 bandas de 528 MHz» Moduladas en QPSK-OFDM 128» Tasa de datos de 53.3-480 Mbps» Frecuencia central de la banda = 2904 + 528
nb,
nb
= 1….14 (MHz)
22
Características del estándar IEEE 802.15.3a
Especificaciones del receptor para UWB-MBOA (zero-IF)
LNA Filtro(Banda Base)
ADC
Sintetizador
BandaBase(MAC)
Filtro
23
– Características del estándar IEEE 802.15.3a
• Desafíos en el diseño de receptores MB-OFDM
– Adaptación de la impedancia de banda ancha– Aparecen señales bloqueantes
→ Mejor linealidad
– Filtros para seleccionar los canales en banda base con un alto rechazo a la frecuencia de corte de 264 MHz
– Necesitan un sintetizador de frecuencia de banda ágil
– Pureza del oscilador local– Ganancia equilibrada entre los canales I y Q y
eficiencia en las fases en cuadratura del LO
24
Especificaciones del receptor para UWB-MBOA
Sensibilidad -83.6 a -72.6 dBm
NF 6-7 dB
Ganancia de compresión a
1dB/IIP3-18.56 dBm/-9 dBm
Ruido de fase -100 dBc/Hz
a 1 MHz
Ganancia tensión 84 dB
Total CAG 60 dB
25
Especificaciones del LNA
NF < 6 dB
IIP3 > -10 dBm
Ganancia 9 dB
Impedancia de entrada 50 Ω
Impedancia de salida 50 Ω
Aislamiento inverso 20 dB
Consumo de Potencia
Menor Posible
26
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 m de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
27
• LNA para UWB
– Amplificador con Carga de Banda Ancha y Red de Adaptación de Entrada
Vd
CdLoad
DC Block
Output
Bias T
Load
DC Block
Input
Vg
Bias T
Ld
Cd
Ld
Cd
Ld
Cd
Lg Lg LgLg/2 Lg/2
Ld/2Ld/2
RFIN
RFOUT
VB
VCC
QCAS1
QCAS2
Red deAdaptación de
Entrada(BA)
Carga(BA)
– Amplificador Distribuido
28
• Amplificador de Banda Estrecha
RFIN
RFOUT
VB
VCC
QCAS1
QCAS2
Red DeAdaptación de
Entrada
CargaS21
f0
NF
f0
S11
f0
S22
f0
29
• Amplificador de Banda Estrecha
Le
LbRFIN
RFOUT
VB
VCC
L C
QCAS1
QCAS2
Le
R=T·Le
C
30
• Amplificador de Banda Ancha
RFIN
RFOUT
VB
VCC
QCAS1
QCAS2
Red deAdaptación de
Entrada(BA)
Carga(BA)
S21
f1
NF
S11
f2 f1 f2
f1 f2
S22
f1 f2
31
• Red de Adaptación de Entrada
RFIN
RFOUT
VB
VCC
QCAS1
QCAS2
Red deAdaptación de
Entrada(BA)
Carga(BA)
32
• Red de Adaptación de Entrada
Le
RFIN
VB
QCAS1
QCAS2
Lb Cb
RFOUT
VCC
Carga
Le
R=T·Le
C
33
Le
RFIN
VB
QCAS1
QCAS2
Lb Cb
RFOUT
VCC
CargaVo ut
CVin
R
p=1/RC
Carga RC
• Carga
Series-peaking
Vou tR
L
CVin
p=1/RC
BWRC * 1.41
p=1/RC
Shunt-peaking
BWRC * 1.85
Vout
CVin
R
L
34
• LNA para UWB
ROUT
LOUT
Le
RFIN
VB
QCAS1
QCAS2
Lb Cb
RFOUT
VCC
35
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 m de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
36
Tecnología SiGe 0,35 m de AMS
37
• Componentes activos y pasivos
38
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 μm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
39
• Diseño a nivel de esquemático
Configuración apropiadadel LNA
Adaptación de entraday de salida
Verificación y optimización de resultados
Polarización óptima y dimensionado delos transistores
40
• Configuración apropiada del LNA
RFIN
VCC
Q1
COUT
Q2
VBIAS1
VBIAS2
Q3
RFOUT
C1 C2
CIN
CB
LB
LE
LC
RC
LOUT
RB
ROUT
LOUT
Le
RFIN
VB
QCAS1
QCAS2
Lb Cb
RFOUT
VCC
41
• Polarización óptima de los transistores
RFIN
VCC
Q1
COUT
Q2
VBIAS1
VBIAS2
Q3
RFOUT
C1 C2
CIN
CB
LB
LE
LC
RC
LOUT
RB
Averiguamos la dI=I/A para mínimo ruido realizando barrido de Ic
Variamos el tamaño y polarización del transistor para que Ropt
= 50 Ω
(resistencia para mínimo ruido)
dI = Cte
42
•
Adaptación de entrada
RFIN
VCC
Q1
COUT
Q2
VBIAS1
VBIAS2
Q3
RFOUT
C1 C2
CIN
CB
LB
LE
LC
RC
LOUT
RB
Q1
LE
Zb
R L2
R
C2
C1L1
Zb
VS
43
•
Adaptación de entrada
(II)
R L2
R
C2
C1L1
Zb
VS
RCRL
LL 1& 21
C2
L1 C1
L2
RCRL
UU 1& 12
LUL U
44
Adaptación de salida y Buffer
RFIN
VCC
Q1
COUT
Q2
VBIAS1
VBIAS2
Q3
RFOUT
C1 C2
CIN
CB
LB
LE
LC
RC
LOUT
RB
45
• Cálculo de Componentes Inductivos
Software Imodel
46
• Cálculo de Componentes Inductivos
Integración de Imodel
con ADS
47
• Cálculo de Componentes Inductivos (II)
1 10-12
-8
-4
0
4
8
12
16
Qua
lity
fact
or
Frequency (GHz)
B1 B2 B3
1 10-30
-20
-10
0
10
20 B1 B2 B3
db(S
21)
Frequency (GHz)
1 100
1
2
3
4
5
6
Indu
ctan
ce (n
H)
Frequency (GHz)
B1 B2 B3
Resultados
48
• Resultados
49
• Resultados (Cont.)
50
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm
de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
51
• Diseño a nivel de layout
52
Simulaciones Post-Layout
2 4 6 8 10
-15
-10
-5
0
5
10
15
S21
(dB
)
Frequency (GHz)
S21esquematico S21TypicalCase S21WorstCase
2 4 6 8 104
5
6
7
8
9
10
11
12 NF Esquematico NF Typical Case NF Worst Case
NF(
dB)
Frecuencia (GHz)
53
2 4 6 8 10-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
S11
(dB
)
Frequency (GHz)
S11esquematico S11TypicalCase S11WorstCase
2 4 6 8 10
-5
-4
-3
-2
-1
0
S22
(dB)
Frequency (Hz)
S22esquematico S22TypicalCase S22WorstCase
Simulaciones Post-Layout (II)
54
2 4 6 8 10-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
S12(
dB)
F requency (H z)
S12esquem atico S12Typ ica lC ase S12W orstC ase
Simulaciones Post-Layout (III)
55
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm
de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
56
• Medidas
RF WIRE
VNA
RF WIRE
Calibration Substrate
DC-BLOCKS
GG
S
PRO
BE
GSG
GG
S
PRO
BE
GSG
Calibración
57
• Run
de Fabricación
58
• Fotografía del Chip
59
• Medidas
Set-up de medidas
GN
DG
ND
IN AmplifierPR
OB
EG
SG
PRO
BE
GSG
RF WIRE
VNA
RF WIRE
GNDVBIAS1 VCC
GN
DG
ND
OU
T
DC-BLOCKS
POWER SUPPLY
VBIAS2
DC WIRE
PROBE GSG
PROBE SGS
GND GNDVBIAS2
POWER SUPPLY
VBIAS1
DC WIRE DC WIRE
VCC (3.3 V)
60
• Medidas
Set-up de medidas
61
• Medidas
62
• Medidas
63
2 4 6 8 10-10
-5
0
5
10
15
S21
(dB)
Frequency (GHz)
S21esquematico S21TypicalCase S21WorstCase
ooooooo S21Measurements
2 4 6 8 10-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
S12
(dB)
Frequency (Hz)
S12esquematico S12TypicalCase S12WorstCase
oooo S12 Measurements
• Resultados (I)
64
2 4 6 8 10
-40
-30
-20
-10
0
S11
(dB
)
Frequency (GHz)
S11esquematico S11TypicalCase S11WorstCase
***** S11 Medidas
2 4 6 8 10-10
-5
0
S22
(dB
)
Frequency (Hz)
S22esquematico S22TypicalCase S22WorstCase
******* S22 Measurements
• Resultados (II)
65
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm
de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
66
Figura de Mérito
TDCNOISE
dB
fBW
PPPFOM 11
• Conclusiones
67
Estudio Comparado
ReferenciaTIPO
(*)Ganancia
(dB)BW
(GHz)NF(dB)
P1dB(dBm)
fT(GHz)
PDCNúcleo(mW)
Tecnología FOM
[42] DA 13,7 6,9 2,4 4,7 15,4 35CMOS
(0.25 m)13689,32
[41] BA 21 10 2,5 5,86 90 30SiGe
(0.18 m)53594,11
[43] DA 12,2 6 5,1 -3 43,5 35CMOS
(0.18 m)9190,45
[8] BA 9,3 6,9 4 -16,3 50 9CMOS
(0.18 m)4201,06
[31] BA 12 15 3 -7,6 50 23,76SiGe
(0.5 m)17337,94
Este trabajo BA 11,6 8,5 5,5 -0,264 70 12SiGe
(0.35 m)46394,07
68
-
Se ha diseñado, fabricado y medido un LNA de UWB en tecnología SiGe 0,35 μm que cubre la banda correspondientes a los modos 1 y 2 .
-
La tecnología SiGe 0.35 μm es apta para el diseño de componentes analógicos de radiofrecuencia.
-
Los objetivos inicialmente planteados se han logrado de forma satisfactoria.
-
Línea de investigación de más envergadura en la que se desarrollan varios proyectos de investigación.
• Conclusiones
69
-
Publicaciones
en congresos
internacionales:
-
H. García, R. Pulido, J. del Pino, S. L. Khemchandani, A. Goñi, A. Hernández, “A 3-10 GHz SiGe
LNA for Ultrawideband
Applications ”, XXI Conference on Design of Circuits and Integrated Systems DCIS
2006.-
H. García, R. Pulido, J. del Pino, S. L. Khemchandani, A. Goñi, A. Hernández
, “A 3-10 GHz Ultrawideband
SiGe
LNA with Wideband LC Matching Network”, SPIE VLSI Circuits and Systems 2007.
-
Las técnicas desarrolladas en este trabajo se están aplicando en otras estructuras como: LNA doblado, LNA sintonizado múltiple, LNA realimentado, etc.
• Conclusiones
70
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.15.3a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm
de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Medidas
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
71
• Presupuesto
Descripción Gastos
Costes de recursos humanos
241,41€
Costes de ingeniería 29.696,00€
Costes de amortización 204€
Costes de fabricación 2259€
Otros costes 151,00€
PRESUPUESTO FINAL 32551,41€
I.G.I.C
(5%) 1627,57€
72
Diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA)
para el estándar inalámbrico UWB en
tecnología SiGe 0.35 μm
Autor: JesAutor: Jesúús Rubs Rubéén Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino Sn Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino Suuáárezrez
ETSIT IngenierETSIT Ingenieríía Electra Electróónica nica CotutoraCotutora: Amaya Go: Amaya Goññi i IturriIturri
ULPGC ULPGC Mayo de 2007Mayo de 2007
Proyecto Fin de Proyecto Fin de CarreraCarrera
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