121
Tesis Doctoral Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH Jesús Rubén Pulido Medina Dr. Francisco Javier del Pino Suárez Dr. Sunil Lalchand Khemchandani Dr. Antonio Hernández Ballester Las Palmas de Gran Canaria - 28 de Junio de 2013 Directores: 1

Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

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Page 1: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Tesis Doctoral

Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Jesús Rubén Pulido Medina

Dr. Francisco Javier del Pino SuárezDr. Sunil Lalchand KhemchandaniDr. Antonio Hernández Ballester

Las Palmas de Gran Canaria - 28 de Junio de 2013

Directores:

1

Page 2: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

2

Page 3: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Introducción

3

Administrador
Stamp
Page 4: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Introducción

4

Page 5: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

5

Page 6: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Objetivos

• Diseño de un sintetizador fraccional basado en un modulador Sigma Delta para el estándar DVB-SH.

• Dicho sintetizador poseerá una frecuencia de referencia de 40 MHz.

N + N∆

•La tecnología empleada será la suministrada por UMC 90nm.

N∆

6

Page 7: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

7

Page 8: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Estándar DVB-SH

8

Page 9: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Estándar DVB-SH

S-Band

9

Page 10: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Receptor para DVB-SH

10

Page 11: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Sintetizador Sigma Delta para DVB-SH

11

Page 12: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

12

Page 13: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Sintetizador Sigma Delta para DVB-SH

13

Page 14: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Especificaciones DVB-SH

Rango de frecuencias a

generar 2.17 a 2.2 GHz

Ruido de Fase

100 KHz -83 dBc/Hz

1 MHz -95 dBc/Hz

10 MHz -101 dBc/Hz

14

Administrador
Stamp
Page 15: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Arquitectura del VCO

BUFFER Vout+

Vtune

Zin

BUFFER

BUFFER

Vout+

Vout-

M2M1

TANQUE LC

M2M1

15

Page 16: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Arquitectura del VCO

VCC

L/2 L/2

VTUNE

VOUT

VTUNE

CVAR/2 CVAR/2

M2M1

M3 M4

Gm

io1 io2

id1 id2

V1 V2

M3 M4

MTAIL

ifb -ifb

VTAIL

16

Page 17: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Diseño del circuito tanque

VCC

L/2 L/2

VTUNE

VOUT

VTUNE

CVAR/2 CVAR/2

M2M1

M3 M4

Gm

io1 io2

id1 id2

V1 V2

M3 M4

MTAIL

ifb -ifb

VTAIL

17

Page 18: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Diseño final del VCOVCC

L/2 L/2

VOUT

VTUNE

CVAR/2 CVAR/2

M2M1

M6M5M10

VOUT+ VOUT-

C

M3 M4

MTAILM7M8

M9

VOUT+ VOUT-

18

Page 19: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Dimensionado de los componentes del VCO

M1 y M2 multiplicidad=20W=1 µm

L=200 nm

M3 y M4 multiplicidad=30W=8 µm

L=360 nm

Transistores

M5 y M6 multiplicidad=8W=530 nm

L=100 nm

M7 y M8 multiplicidad=8W=530 nm

L=100 nm

M9 multiplicidad=10W=600 nm

L=250 nm

M10 multiplicidad=14W=500 nm

L=100 nmL=100 nm

Tanque

CVAR 3.824 pF

CVAR/2 1.912 pF

L 2.3 nH con Q=14 a 2.2 GHz

L/2 1.15 nH con Q=14 a 2.2 GHz

C 1.364 pF

19

Page 20: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Layout del VCO

20

Page 21: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Zoom del layout del VCO

21

Page 22: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulaciones post-layout del VCO

50.0

25.0

75.0

Pha

se N

oise

(dB

c/H

z)

100 101 102 103 104 105 106 107

25.0

0

-25.0

-50.0

-75.0

-100

-125

-150

Pha

se N

oise

(dB

c/H

z)

M1 (1 .0 0 5M Hz,- 11 1 .5 dBc/H z)

Offset de 100 kHz -85 dBc/Hz

Offset de 1 MHz -111.5 dBc/Hz

Offset de 5 MHz -130 dBc/Hz

100 101 102 103 104 105 106 107

Relative Frequency(Hz)

-150

22

Page 23: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulaciones post-layout del VCO

DVB-SH Band

2.25

2.2

2.15

Fre

c(G

Hz)

M0(0.748V,2.2GHz)

M1(0.838V,2.17GHz)

0.25 0.5 0.75 1 1.25

Vtune(V)

2.1

Fre

c

500

400

M0(464.2ps)

382 384 386 388 390 time(ns)

400

300

200

100

Vou

t(m

V)

23

Page 24: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

24

Page 25: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

FUENTE DE ALIMENTACIÓN

25

Administrador
Stamp
Page 26: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

26

Page 27: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

Frecuencia Fundamental

Vtune (V) P (dBm) P corregida (dBm) Frec (MHz)

0 -11,97 -10,87 1833

0,2 -11,92 -10,82 1829

0,4 -12,02 -10,92 1821

0,6 -11,87 -10,77 1803

0,8 -11,85 -10,75 17820,8 -11,85 -10,75 1782

1 -11,94 -10,84 1739

1,2 -11,89 -10,79 1725

27

Page 28: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

1840

1720

1740

1760

1780

1800

1820

Fre

cuen

cia

(MH

z)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

1720

Vtune (V)

28

Page 29: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

Simulación Medida

Frecuencia de Oscilación 2,24-1,95 GHz 1,83-1,72 GHz

Potencia de salida -10,19 dBm -10,87 dBmPotencia de salida -10,19 dBm -10,87 dBm

Consumo de corriente 16.4 mA 16.8 mA

Consumo de potencia

(Vbias=1.2 V)19,68 mW 20,16 mW

D1

M1

D2

29

Page 30: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

30

Page 31: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

DesviaciónVtune = 0 V

Frec = 1833 MHz

Vtune = 1 V

Frec = 1739 MHz

Ruido de fase

promedioDesviaciónFrec = 1833 MHz Frec = 1739 MHz

del VCO

Ruido de fase

100 KHz -88.6 dBc/Hz -84.62 dBc/Hz -86,61 dBc/Hz

1 MHz -114.34 dBc/Hz -110.05 dBc/Hz -112,19 dBc/Hz

5 MHz -129 dBc/Hz -122 dBc/Hz -125,5 dBc/Hz

31

Page 32: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO

DesviaciónRuido de fase promedio Ruido de fase simulado

Desviacióndel VCO del VCO

Ruido de fase

100 KHz -86,61 dBc/Hz -85 dBc/Hz

1 MHz -112,19 dBc/Hz -111.5 dBc/Hz

5 MHz -125,5 dBc/Hz -130 dBc/Hz5 MHz -125,5 dBc/Hz -130 dBc/Hz

32

Page 33: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

33

Page 34: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Sintetizador Sigma Delta para DVB-SH

34

Page 35: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Divisor Rápido Convencional

RL RL RL RL

CLK

Q Q

CLKCLK CLK

VBIAS IBIAS VBIASIBIAS

35

Page 36: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Single Bias Latch

RL RL RLRL

QQ

CLK CLK

VBIAS IBIAS

36

Page 37: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Vco + Divisor Rápido

37

Page 38: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Vco + Divisor Rápido (Zoom)

38

Page 39: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulaciones post-layout del VCO +Divisor

DVB-SH Band

1.125

1.1

1.075F

rec (

GH

z)

M0(0.748V,1.1GHz)

M1(0.838V,1.085GHz)

1.05

Fre

c

0.25 0.5 0.75 1 1.25

Vtune(V)

1.25

50.0 52.5 55.0 57.5 60.0 62.5 time(ns)

1.00

0.75

0.50

0.25

Vol

tage

(V)

M0(950.1ps)

39

Page 40: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulaciones post-layout VCO + Divisor

50.0

25.0

0

75.0

Phas

e N

oise

(dB

c/H

z)

100 101 102 103 104 105 106 107

Relative Frequency(Hz)

0

-25.0

-50.0

-75.0

-100

-125

-150

Phas

e N

oise

(dB

c/H

z)

M 1 (1. 05 M Hz,-1 1 7 .1 dB c/Hz)

Offset de 100 kHz -86 dBc/Hz

Offset de 1 MHz -117.1 dBc/Hz

Offset de 5 MHz -136.2 dBc/Hz

Relative Frequency(Hz)

40

Page 41: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO + Divisor

41

Page 42: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO + Divisor

Frecuencia Fundamental

Vtune (V) P (dBm) P corregida (dBm) Frec (MHz)

0 -9,84 -8,74 912

0,2 -9,72 -8,62 910

0,4 -9,68 -8,58 902

0,6 -9,71 -8,61 897

0,8 -9,65 -8,55 8840,8 -9,65 -8,55 884

1 -9,54 -8,44 865

1,2 -9,62 -8,52 858

42

Page 43: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO +Divisor

920

860

870

880

890

900

910

Fre

cuen

cia

(MH

z)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2850

Vtune (V)

43

Page 44: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO + Divisor

Simulación Medida

Frecuencia de Oscilación 1120-975 MHz 912-858 MHz

Potencia de salida -8,32 dBm -8,74 dBm

Consumo de corriente 16,9 mA 17,1 mA

Consumo de potencia

(Vbias=1.2 V)20,28 mW 20,52 mW

44

Page 45: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del VCO + Divisor

Desviación

Ruido de fase

medido

Ruido de fase

simuladoDesviación

del VCO del VCO

Ruido de fase

100 KHz -75.91 dBc/Hz -86 dBc/Hz

1 MHz -102.04 dBc/Hz -117.1 dBc/Hz

5 MHz -121 dBc/Hz -136.2 dBc/Hz

45

Page 46: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Divisor Programable

46

Page 47: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Divisor Programable

47

Page 48: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Divisor Programable

48

Page 49: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Divisor Programable

49

Page 50: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

50

Page 51: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Sintetizador Sigma Delta para DVB-SH

51

Page 52: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma-Delta

x(n)

fs

DAC

u(n)x(n) y(n)

_

Retardo de la señal Filtro Paso Alto

52

Page 53: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma-Delta

53

Page 54: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma-Delta en Tiempo Discreto

)()()()()()(1

1)(

)(1

)()( zEzNTFzUzSTFzE

zHzU

zH

zHzY +=

++

+=

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA

PARA LA SEÑAL

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA

PARA EL RUIDO

54

Page 55: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma-Delta en Tiempo Continuo

Implementación del modulador con Implementación del modulador con circuitos en tiempo continuo:

• Circuitos LC

• Integradores gm-C

• Integradores basados en Amplificadores Operacionales

• Aumentar la frecuencia de muestreo

55

Page 56: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma-Delta en Tiempo Continuo

DISEÑO TOTALMENTE EN EL DOMINIO ANALÓGICO

DISEÑO BASADO EN LA RESPUESTA INVARIANTE AL IMPULSO

56

Administrador
Stamp
Administrador
Stamp
Page 57: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma‐Delta en Tiempo Continuo

n p ar

n im p ar pr im e ra etapa re so n ado ra

u(t)

n im par pr im e ra etapa in tegrad or a

bnb1

c1 1/s

b2c2 1/s cn 1/s

bn+1

dnd2a1

clk

u(t)

ana1

c 1/s

a2

c 1/s 1/s

g1 g1

x1(t) x2(t) xn(t) y(t)

fbe

D/Av(t) v(t) v(t) v(t)

• CIFB (Integradores en cascada con realimentaciones) ( g )

• CIFF (Integradores en cascada con prealimentaciones)

• CRFB (Resonadores en cascada con realimentaciones)

• CRFF (Resonadores en cascada con prealimentaciones)57

Page 58: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma-Delta en Tiempo Continuo

58

Page 59: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma-Delta en Tiempo Continuo

Modulador basado

en filtro biquaden filtro biquad

Modulador basado en la respuesta invariante

al impulso

59

Page 60: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Modulador Sigma-Delta en Tiempo Continuo

Modulador basado

en filtro biquaden filtro biquad

Diseño basado en metodología gm/ID

Modulador basado en la respuesta invariante

al impulso

60

Page 61: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Diseño del Amplificador Operacional (OTA)

Ganancia 24 dB

Ancho de banda a 3dB 20 MHz

Ganancia por ancho de banda 289 MHz

Margen de Fase 84,78º

Slew Rate 550 V/µs

Tensión de salida máxima 1,01 V

Tensión de salida mínima 0,004 V

Potencia disipada 73,8 µWPotencia disipada 73,8 µW

Transconductancia 6 µS

61

Page 62: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Diseño del Comparador

62

Page 63: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Diseño del Preamplificador

VDD

V+ V-

M3 M5 M6 M4

M1 M2

Amplio ancho de banda

para conseguir grandes

velocidades

M1

63

Page 64: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Diseño del Latch-ComparatorVDD

M7 M3 M4 M6CLK CLK • Fase de Reset (CLk=0)

• M5 apagado

VIN+ VIN-M1 M2

M9M8

• Fase de Set (CLk=1)

• M5 apagado

• M7, M3, M4 Y M6 reseteanlos nodos de salida a VDD.

• Una salida estará a VDD y la otra a 0 según la tensión del par diferencial de entrada

M5CLK

par diferencial de entrada

64

Page 65: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Unión de Preamplificador + Latch-Comparator

65

Page 66: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación de los moduladores ΣΔ

INTEGRADORES FILTRO BIQUAD

SNR=18dB

Potencia disipada=1,84mW

SNR=21dB

Potencia disipada=636uW

66

Page 67: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Layout del modulador ΣΔ

67

Page 68: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Layout del modulador ΣΔ

SNR=18dB

68

Page 69: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del modulador ΣΔ

69

Page 70: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del modulador ΣΔ

70

Administrador
Stamp
Page 71: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del modulador ΣΔ

71

Page 72: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Medida del modulador ΣΔ

Simulación Medida

SNR 18 dB 14 dB

Consumo de

potencia636 µW 728 µW

72

Page 73: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Problemas de estabilidad

INTEGRADORES LIMITADOS

40

102

103

104

105

106

107

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

Frecuencia

Mag

nitu

d(dB

)

SNR=18.222663

Aparecen los mismos armónicos que en las simulaciones a nivel de circuitos

73

Page 74: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Escalado de los coeficientes

• El método seguido para calcular los coeficientes, fija todas las ganancias de los integradores a 1 y no tiene en cuenta el nivel de la señal de salida de cada integrador.

• Debe emplearse un método de escalado de estos coeficientes de forma que no se saturen los circuitos de • Debe emplearse un método de escalado de estos coeficientes de forma que no se saturen los circuitos de nuestro modulador y, además, preservar la NTF.

74

Page 75: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Escalado de los coeficientes

1. Poner el valor inicial para todos los factores de escalado a 1,

f1=f2=….fn=1.

2. Simular el modulador Sigma-Delta con los factores de escalado

fijados a 1.

3. El factor de escalado, fi, correspondiente a la simulación ith se calcula

siguiendo la siguiente expresión:

r)_integrado_imax(salidaf

th

=

4. Repetir los pasos 2 y 3 hasta que i sea igual al orden del modulador.

rador_del_integ_de_salida_excursióndeseada_i

r)_integrado_imax(salidaf

thi =

75

Page 76: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Escalado de los coeficientes

a1 a2 c1 c2

1 0.563 0.375 0.62

76

Page 77: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Escalado de los coeficientes

Los armónicos prácticamente han desaparecido

SNR=42 dB

77

Page 78: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

78

Page 79: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Sintetizador Sigma Delta para DVB-SH

79

Page 80: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Comparador Fase Frecuencia

Estado D U

00 0 0

01 0 1

10 1 0

80

Page 81: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Bomba de Carga

UP DOWN Descripción

1 0IB inyecta corriente en CL

aumentando Vo

0 1IB extrae corriente CL r

educiendo Vo

0 0Ambos interruptores están

0 0apagados y Vo no varía

81

Page 82: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Zona Muerta

82

Page 83: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

VDD

UP

NM5

PM3

ICP

NM4

PM4

DOWN

83

Page 84: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

84

Administrador
Stamp
Page 85: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Solución a la zona muerta

85

Page 86: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Layout del PFD + Bomba de Carga

86

Page 87: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Layout del PFD + Bomba de Carga

87

Administrador
Stamp
Page 88: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Layout del PFD + Bomba de Carga

88

Administrador
Stamp
Administrador
Stamp
Page 89: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

89

Page 90: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Sintetizador Sigma Delta para DVB-SH

90

Page 91: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Filtro de Bucle

R2

Rango de

frecuencias2,17 a 2,2 GHz

Espaciado de1.7,5,6,7,8 MHz

R1

C1

C2

C3

canales1.7,5,6,7,8 MHz

Salto máximo de

frecuencias (fstep)30 MHz

Tiempo de

establecimiento (ts)500 µµµµseg

Precisión después

del tiempo de establecimiento

(fa)

1000 Hz

Sensibilidad

del VCO (Kvco)333 MHz/V

del VCO (Kvco)

Corriente del bombeo

de carga (Icp)800 µµµµA

91

Page 92: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Filtro de Bucle

600 ΩΩΩΩ

200 ΩΩΩΩ

23.7 nF

237 nF

3.95 nF

92

Page 93: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

93

Page 94: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación del Sistema

Simulación de la respuesta de bucle.

Simulación del ruido de fase.

Simulación de la respuesta transitoria.

94

Page 95: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación de la respuesta de bucle

95

Administrador
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Page 96: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación de la respuesta de bucle

Valores del Filtro de Bucle

Optimizados

Clpf1 15.4 nF

Rlpf1 285 Ω

Clpf2 212 nF

Rlpf2 720 Ω

Clpf3 2.9 nFClpf3 2.9 nF

96

Administrador
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Page 97: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación del Sistema

Simulación de la respuesta de bucle.

Simulación del ruido de fase.

Simulación de la respuesta transitoria.

97

Page 98: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación del ruido de fase

Contribución al ruido del Filtro de Bucle.

Contribución al ruido del Comparador de Fase y la Bomba de Carga.

Contribución al ruido del VCO.

Contribución de ruido del Divisor. Contribución de ruido del Divisor.

Contribución de ruido de la señal de referencia.

98

Page 99: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribución al ruido del Filtro de Bucle.

600 ΩΩΩΩ

200 ΩΩΩΩ

23.7 nF

237 nF

3.95 nF

Determinado por el valor de los componentes resistivos del filtro.

99

Page 100: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribución al ruido del Comparador de Fase y la Bomba de Carga.

PFD_INoise 1.775 fA/Hz

Id 800 µA

100

Administrador
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Page 101: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribución al ruido del VCO

50.0

25.0

0

75.0

Pha

se N

oise

(dB

c/H

z)

100 101 102 103 104 105 106 107

Relative Frequency(Hz)

-25.0

-50.0

-75.0

-100

-125

-150

Pha

se N

oise

(dB

c/H

z)

M1 (1 .0 0 5M Hz,- 11 1 .5 dBc/H z)

101

Page 102: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribución al ruido del Divisor

Ruido Potencia (dBm) Frecuencia

Noise Floor -165 -

-10 db/dec -160 1 KHz

-20 dB/dec -1000 100 Hz

102

Page 103: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribución al ruido de la señal de referencia

Ruido Potencia (dBm) Frecuencia

Noise Floor -165 -

Ruido Potencia (dBm) Frecuencia

Noise Floor -165 -

-10 db/dec -160 100 KHz

-10 db/dec -160 1 KHz

-20 dB/dec -1000 100 Hz

-10 db/dec -160 100 KHz

-20 dB/dec -150 1 KHz

-30 db/dec -140 10 Hz

-40 dB/dec -1000 1

103

Page 104: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación del ruido de fase

104

Page 105: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación del ruido de fase

105

Page 106: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación del ruido de fase

106

Page 107: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación del ruido de fase

Frecuencia Ruido de fase total Especificaciones DVB-SH

1 KHz -108 dBc/Hz -69 dBc/Hz

10 KHz -102 dBc/Hz -74 dBc/Hz

100 KHz -90 dBc/Hz -83 dBc/Hz

1 MHz -112 dBc/Hz -95 dBc/Hz

10 MHz -120 dBc/Hz -101 dBc/Hz

107

Page 108: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación del Sistema

Simulación de la respuesta de bucle.

Simulación del ruido de fase.

Simulación de la respuesta transitoria.

108

Page 109: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación de la respuesta transistoria

N +

N∆

N∆

N∆

109

Page 110: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación de la respuesta transistoria

110

Administrador
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Administrador
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Page 111: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Simulación de la respuesta transistoria

111

Administrador
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Page 112: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

• Estructura de la Tesis

Introducción

Objetivos

Estándar DVB -SH

Bloque 1

Estándar DVB -SH

El Oscilador Controlado por Tensión (VCO)

Divisor Rápido y Divisor programable

Modulador Sigma Delta

Comparador Fase Frecuencia y Bomba de Carga

Bloque 2

Filtro de Bucle

Simulación del Sistema

ConclusionesBloque 3

112

Page 113: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Conclusiones

• Desarrollo de un Sintetizador Fraccional basado en un modulador Sigma

Delta para redes inalámbricas según el estándar DVB-SH.

• Diseñado utilizando una tecnología CMOS suministrada por UMC 90 nm.

• Primer sintetizador que cumple con todos los requisitos de canalización

especificados por DVB-SH.

• Aportaciones a la comunidad científica internacional.

113

Page 114: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribuciones a Congresos y Revistas

• Jonás Pérez, Nestor Barrera, Roberto Díaz, Rubén Pulido, Javier del Pino,

Sunil L. Khemchandani, Antonio Hernández, “A SiGe Front-End for a

Portable DVB-H Receiver”, XXII Design of Circuits and Integrated SystemsPortable DVB-H Receiver”, XXII Design of Circuits and Integrated Systems

Conference, Sevilla 2007.

• J. Arias, R. Pulido, H. Garcia, S.L. Khemchandani, J. del Pino, A. Hernandez,

“A DVB-H RF-VGA Based On Current Conveyors”, XXIV Design of Circuits

and Integrated Systems Conference, Zaragoza 2009.

• R. Pulido. E. Ortega, D. Ramos, S. L. Khemchandani, J. del Pino, “A Low

Power LC-VCO and a Fast Divider for DVB-SH Applications”, XXVII

Conference on Design of Circuits and Integrated Systems, Avignon, Francia

2012.

114

Page 115: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribuciones a Congresos y Revistas

• G. Perez, S.L. Khemchandani, R. Diaz, R. Pulido, D. Ramos, J. del Pino, “A

Multiband LNA with Switched Loads and Wideband Input Impedance

Matching”, XXIV Design of Circuits and Integrated Systems Conference,Matching”, XXIV Design of Circuits and Integrated Systems Conference,

Zaragoza 2009.

• H. Garcia-Vazquez, S. L. Khemchandani, R. Pulido, A. Goñi-Iturri and J. del

Pino, “A Wideband Active Feedback LNA with a Modified 3D Inductor”

Microwave and Optical Technology Letters, vol. 52, pp. 1561-1567, 2010.

• R. Pulido Medina, E. Ortega García , S. L. Khemchandani, J. del Pino, “An

LC-VCO with Current Feedback and a Fast Divider for DVB-SH

Applications”, enviado a la revista Microwave and Optical Technology Letters

pendiente de aceptación.

115

Page 116: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribuciones a Revistas

• Resolución del problema matemático B-1055 propuesto por G. C. Greubel

(Newport News, VA) en la revista “The Fibonacci Quaterly”, sección

“Diaphontine Equation But Fibonacci Solutions”, Agosto 2010.“Diaphontine Equation But Fibonacci Solutions”, Agosto 2010.

• S. L. Khemchandani, D. Ramos, H. García, R. Pulido, and J. Pino, “A Low

Voltage Folded Cascode LNA for Ultra-Wideband Applications” Microwave

and Optical Technology Letters, Vol. 52, No. 11, Noviembre 2010.

• J. del Pino, Sunil L. Khemchandani, Roberto Díaz-Ortega, Rubén Pulido-• J. del Pino, Sunil L. Khemchandani, Roberto Díaz-Ortega, Rubén Pulido-

Medina and Hugo García-Vázquez, "On-Chip Inductors Optimization For

Ultra Wide Band Low Noise Amplifiers", Journal of Circuits, Systems and

Computers (World Scientific Publishing Company), vol. 20, no. 7, pp. 1231-

1242, 2011.

116

Page 117: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribuciones a Congresos

• R. Diaz, R. Pulido, A. Goñi Iturri, S. L. Khemchandani, B. Gonzalez and J. del

Pino, “A Fully Integrated Mixer in CMOS 0.35 µm Technology for 802.11a

WIFI Applications”, XIX Design Circuits and Integrated Systems Conference,WIFI Applications”, XIX Design Circuits and Integrated Systems Conference,

Burdeos, Francia 2004.

• S. L. Khemchandani, R. Pulido, A. G.Iturri, R. Diaz, A. Hernández, J. del Pino,

“A fully integrated low-noise amplifier in SiGe 0.35 µm technology for 802.11a

WIFI applications”, SPIE - The International Society for Optical

Engineering’s - Microtechnologies for the New Millennium Design, SevillaEngineering’s - Microtechnologies for the New Millennium Design, Sevilla

2005.

• H. García, R. Pulido, J. del Pino, S. L. Khemchandani, A. Goñi and A.

Hernandez, “A 3-10 GHz SiGe LNA for Ultrawideband Applications”, XXI

Design of Circuits and Integrated Systems Conference, Barcelona 2006.117

Page 118: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribuciones a Congresos

• J. d. P. Suárez, S. L. Khemchandani, H. G. Vázquez, R. P. Medina, A. G. Iturri,

A. H. Ballester, “3-10 GHz ultrawide band SiGe LNA with wideband LC

matching network”, SPIE - The International Society for Opticalmatching network”, SPIE - The International Society for Optical

Engineering’s - Microtechnologies for the New Millennium Design, Gran

Canaria 2007.

• Rubén Pulido, Hugo García, Javier del Pino, Sunil L. Khemchandani, Antonio

Hernández, “A Feedback Wideband LNA for UWB Applications”, XXII

Design of Circuits and Integrated Systems Conference, Sevilla 2007.Design of Circuits and Integrated Systems Conference, Sevilla 2007.

• H. García, R. Pulido, R. Díaz, S. Khemchandani, A. Goñí, J. del Pino, “A

Feedback Wideband LNA with a modified 3D inductor for UWB

Applications”, XXIII Design of Circuits and Integrated Systems Conference,

Grenoble, Francia 2008.118

Page 119: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Contribuciones a Congresos

• S. Rosino-Rincón, D. Ramos-Valido, H. García-Vázquez, R. Pulido-Medina,

Sunil L. Khemchandani and J. del Pino, "A CMOS Low Voltage Folded

Cascode LNA for Wideband Applications", XXVII Design of Circuits and

Integrated Systems Conference, Avignon, Francia 2012.

119

Page 120: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Líneas futuras

• Encapsulado del sistema completo, uniendo todos los bloques diseñados.

• Placa de medida a la que se le pueda acoplar el filtro de bucle externo.• Placa de medida a la que se le pueda acoplar el filtro de bucle externo.

• Integración del sintetizador en un cabezal de recepción completo para

DVB-SH.

• Unión con el sistema de procesado digital en banda base.

• Diseño del transmisor del módulo de radiofrecuencia.

• Implementación del amplificador de potencia y su influencia en el resto

de la parte de RF.120

Page 121: Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Tesis Doctoral

Sigma Delta (ΣΔ) Frequency Synthesizer for DVB-SH

Jesús Rubén Pulido Medina

Dr. Francisco Javier del Pino SuárezDr. Sunil Lalchand KhemchandaniDr. Antonio Hernández Ballester

Las Palmas de Gran Canaria - 28 de Junio de 2013

Directores:

121