Diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA) para el estándar inalámbrico UWB en ... ·...

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

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