Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido Realimentado para la Banda de 3-10 GHz en Tecnología BICMOS 0.

Transcripción

1 Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Escuela Técnica T Superior de Ingeniería a de Telecomunicación Ingeniero en Electrónica Diseño de un Amplificador de Bajo uido ealimentado para la Banda de 3-10 GHz en Tecnología BICMOS 0.35 μm Autor: D. Hugo García a Vázquez V Tutor: Dr. D. Francisco Javier Del Pino Suárez Cotutor: Dr. D. Sunil Lalchand Khemchandani

2 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 2

3 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 3

4 Introducción 4

5 Introducción Fijas Móviles MMDS LMDS Microondas punto a punto Enlaces ópticos WWAN WMAN WLAN WPAN 5

6 Introducción 6

7 Introducción WPAN - Bandas ISM (2.45 GHz) - 79 canales 1 MHz Mbit/s 7

8 Introducción Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band) Velocidades de transmisión n de hasta Mbps 8

9 Introducción Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band) MBOA (Multiband( OFDM Alliance)->WIMEDIA Espectro de GHz 14 bandas de 528 MHz Moduladas en QPSK-OFDM 128 Tasa de datos de Mbps 9

10 Introducción Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band) 10

11 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 11

12 Objetivos Diseño o de un LNA realimentado para la Banda de GHz en Tecnología a BICMOS 0.35 μm para un receptor de UWB Verificación n de la validez de la tecnología empleada en la implementación n de un LNA para dicho estándar 12

13 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 13

14 Estándar IEEE a Características de los sistemas de F Características del estándar IEEE a Especificaciones del receptor de WIMEDIA 14

15 Características de los sistemas de F Ganancia Figura de ruido Punto de intercepción n de tercer orden (IP3) Parámetros S 15

16 Características de los sistemas de F Ganancia LNA G V V salida entrada G( db) V 20log V salida entrada 16

17 Características de los sistemas de F Figura de ruido LNA NF P P Ni N 0 G A LNA NF P P S i S 0 / / P P N i N 0 SN SN i 0 17

18 Características de los sistemas de F uido Factor de ruido F 1 G A1 F 2 G A2 F 3 G A3 F F 1 F2 1 G A1 F G 3 A1 1. G A2 18

19 Características de los sistemas de F Punto de intercepción n de tercer orden (IP3) OIM señal deseada señal deseada

20 Características de los sistemas de F Punto de intercepción n de tercer orden (IP3) Psalida (dbm) Pout P 2 OIP3 Potencia de la señal principal P IM3 P Potencia de IM (IM3) P 2 IIP3 20 log (Ain) Pentrada (dbm) 2 20

21 Características de los sistemas de F Parámetro S eflexión: S11, S22 Transmisión: n: S21, S S21 S12 Magnitude (db) Frequency (GHz) 21

22 Características del estándar IEEE a WIMEDIA Espectro de GHz 14 bandas de 528 MHz Moduladas en QPSK-OFDM 128 Tasa de datos de Mbps Frecuencia central de la banda = nb, nb = 1.14 (MHz) 22

23 Especificaciones del receptor de WIMEDIA Estructura del receptor zero-if 23

24 Características del estándar IEEE a Desafíos en el diseño o de receptores WIMEDIA Adaptación n 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

25 Especificaciones del receptor para WIMEDIA 25

26 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm m de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 26

27 Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Consta de: 27

28 Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS 28

29 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 29

30 30 VDD V0 L Vi + - S m in g Z S m S m S m S e b g g g r r F L m i o v g v v A An Análisis del Circuito lisis del Circuito Amplificador E Amplificador E-C

31 31 An Análisis del Circuito lisis del Circuito Amplificador realimentado resistivamente Amplificador realimentado resistivamente VDD V0 L Vi + - S F F L L m F L L m F L i o v g g v v A 1 1 L m L F L m L F in g ) g ( Z 1 F S F S m S m S m S m S e b g g g g r r F

32 32 Q 2 V CC B F L Q 1 V o V s S ~ L m L F L m L F in g ) g ( Z 1 F S F S m S m S m S m S e b g g g g r r F L m F L m m F m in g g g g Z ) (1 1 An Análisis del Circuito lisis del Circuito Amplificador con realimentaci Amplificador con realimentación activa n activa F L L m F L L m F L i o v g g v v A 1 1

33 Análisis del Circuito Amplificador con realimentación n activa V CC L V CE1 F V 1 BE 2 VBE1 B Q 2-4 F V o -5 V s ~ S B Q 1 IIP3 (dbm) a 5GHz ,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 V CE1 (V) 33

34 Análisis del Circuito Amplificador con realimentación n activa V CC L Q F S C C L B V o S21(dB) LB=2nH LB=4nH LB=6nH LB=8nH LB=10nH LB=12nH LB Q 1 8 V s ~ B Frecuencia (GHz) 34

35 Análisis del Circuito Bobina cuadrada 35

36 Análisis del Circuito Bobinas apiladas 36

37 Análisis del Circuito Inductor 3-D3 37

38 Análisis del Circuito Inductor modificado 3-D3 38

39 Análisis del Circuito Inductor modificado 3-D3 39

40 Análisis del Circuito Inductor modificado 3-D3 Factor de Calidad L Q Inductancia (nh) Factor de Calidad L Q Inductancia (nh) Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz) 40

41 Análisis del Circuito Amplificador con realimentación n activa V CC L Q 2 F V o L B S C C L EN Q 1 V s ~ B 41

42 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 42

43 Diseño o del Circuito V CC L Q 2 F V o L B S C C L EN Q 1 V s ~ B 43

44 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste del transistor Q Área de Q1 NF(dB) Frecuencia (GHz) 44

45 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste del transistor Q NF(dB) 4 3 Área de Q Frecuencia (GHz) 45

46 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste de la resistencia F 5 F 4 NF(dB) Frecuencia (GHz) 46

47 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste de la resistencia F F S11(dB) Frecuencia (GHz) 47

48 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste de la resistencia F S21(dB) F Frecuencia (GHz) 48

49 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste de la bobina L B S21(dB) LB Frecuencia (GHz) 49

50 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste de la bobina L B 6 5 NF(dB) 4 3 Factor de Calidad de LB Frecuencia (GHz) 50

51 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste de la bobina L EN 6 5 NF(dB) 4 3 Factor de Calidad LEN Frecuencia (GHz) 51

52 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste de la resistencia L S21(dB) L Frecuencia (GHz) 52

53 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Ajuste de la resistencia B -4-5 IIP3 (dbm) a 5GHz ,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 V CE1 (V) 53

54 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático Introducción n de componentes reales y pads Bobinas QF=10 Pads = 31 Ω C = 360 ff 54

55 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático esultados obtenidos 20 6 esultado del S21 esultado de la NF 15 5 S21(dB) 10 NF(dB) Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz) 55

56 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático esultados obtenidos 0 0 esultado del S11 esultado del S S11(dB) S22(dB) Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz) 56

57 Diseño o del Circuito a nivel de esquemático esultados obtenidos Alimentación n 3.3 V Consumo corriente 5 ma 57

58 Diseño o del Circuito a nivel de layout Cambio a Cadence eglas de diseño o de la tecnología Optimizar el diseño o para evitar posibles dispersiones de los parámetros Conectar el sustrato a tierra Utilizar las estructuras dummies para reducir la tolerancia de los dispositivos etc. 58

59 Diseño o del Circuito a nivel de layout 59

60 Diseño o del Circuito a nivel de layout 20 S21LNA1 S21LNA2 7 NFLNA1 NFLNA S21(dB) 10 NF (db) Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz) 60

61 Diseño o del Circuito a nivel de layout 0 S11LNA1 S11LNA2 0 S22LNA1 S22LNA S11(dB) -20 S22 (db) Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz) 61

62 Diseño o del Circuito a nivel de layout Potencia Salida(dBm) esultado del P1dB del LNA1-9,52 dbm Potencia Salida(dBm) esultado del P1dB del LNA2-9,36 dbm Potencia Entrada (dbm) Potencia Entrada (dbm) 62

63 Diseño o del Circuito a nivel de layout 63

64 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 64

65 Medidas 65

66 Medidas Equipo de Medida 1 Fuente de alimentación Hewlett Packard E3620A. 1 Analizador de Espectros Hewlett Packard E4440A. 1 Analizador de redes (VNA) Hewlett Packard 8720E. 1 Generador de señales Hewlett Packard E8257D. 1 Generador de uido. 3 Puntas de prueba GSG (Ground-Signal-Ground) Cascade Microtech ACP40D-W GSG DC-blocks BLK-18. Sustrato de Calibración Cascade Microtech P/N Cables de F Sucoflex 104A. Cables de Alimentación y adaptadores SMA-BNC. Codos de Interconexionado. 66

67 Medidas Parámetros S VNA F WIE F WIE POWE SUPPLY DC-BLOCKS DC WIES DC-BLOCKS POBE GSG GND VCC GND POBE GSG GND GND IN LNA GND GND OUT POBE GSG 67

68 Medidas Parámetros S Medida del S21 LNA1 LNA2 Medida del S12 LNA1 LNA2-10 S21(dB) 10 5 S12 (db) Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz) 68

69 Medidas Parámetros S Medida del S11 LNA1 LNA2-10 Medida del S22 LNA1 LNA2 S11(dB) -20 S22 (db) Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz) 69

70 Medidas Figura de uido 70

71 Medidas Figura de uido 71

72 Medidas Figura de uido Generador de ruido Puntas de medida ycodos Cable largo DC-Block LNA DC-Block 72

73 Medidas Figura de uido 73

74 Medidas Figura de uido 74

75 Medidas Figura de uido 75

76 Medidas Figura de uido Medida del NF LNA1 LNA2 NF(dB) Frecuencia (GHz) 76

77 Medidas Linealidad FUENTE DE ALIMENTACION GENEADO DE SEÑAL ANALIZADO DE ESPECTOS PUNTA GSG GND VCC GND DC-BLOCK PUNTA GSG GND GND IN LNA GND OUT GND PUNTA GSG DC-BLOCK 77

78 Medidas Linealidad 78

79 Medidas Linealidad Potencia Salida(dBm) Medida del P1dB del LNA1-13 dbm Potencia Salida(dBm) Medida del P1dB del LNA2-14 dbm Potencia Entrada (dbm) Potencia Entrada (dbm) 79

80 Medidas 80

81 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 81

82 Conclusiones 82

83 Conclusiones Hemos demostrado de forma analítica, con simulaciones y con medidas que nuestra propuesta es valida Para una misma G, IP3 y P DC obtenemos un BW mayor y una NF menor educción n del área 40% 83

84 Conclusiones Publicaciones en congresos internacionales: A Feedback Wideband LNA for UWB Applications en el XXII Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (Sevilla( 2007) A Feedback Wideband LNA with a modified 3D inductor for UWB Applications en el XXIII Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (Grenoble 2008) DCIS 2008 XXIII CONFEENCE ON DESIGN OF CICUITS AND INTEGATED SYSTEMS Dailos amos Valido, Javier del Pino Suárez y Hugo García Vázquez (de izquierda a derecha).. 84

85 Conclusiones Como línea l futura se podría a probar con tecnologías más m modernas ya que se podrían obtener mejores resultados. Este trabajo pertenece a una línea l de investigación n de más s envergadura llamado WITNESS y tiene continuación n en otro proyecto llamado S2 El presente trabajo tiene continuidad en la integración del amplificador en la cadena del receptor para UWB 85

86 Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Estándar IEEE a Tecnología SiGe 0.35 μm de AMS Análisis del Circuito Diseño o del Circuito Medidas Conclusiones Presupuesto 86

87 Presupuesto 87

88 Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Escuela Técnica T Superior de Ingeniería a de Telecomunicación Ingeniero en Electrónica Diseño de un Amplificador de Bajo uido ealimentado para la Banda de 3-10 GHz en Tecnología BICMOS 0.35 μm Autor: D. Hugo García a Vázquez V Tutor: Dr. D. Francisco Javier Del Pino Suárez Cotutor: Dr. D. Sunil Lalchand Khemchandani