DISEÑO O DE UN MODULADOR GFSK INTEGRADO

Transcripción

1 DISEÑO O DE UN MODULADO GFSK INTEGADO EN TECNOLOGÍA A SiGe 0.35µm m de AMS AUTO: GUILLEMO PEDOMO EYES SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN TUTOES: FANCISCO JAVIE DEL PINO SUÁEZ SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI

2 Bloque I 1. Introducción 2. Modulaciones Digitales 3. Estándares 4. ADS y las modulaciones de frecuencia 5. Tecnología de diseño 6. Objetivos del proyecto 7. Diseño del modulador Bloque II 8. Layout del VCO 9. Integración en un sistema de comunicación Bloque III 10. Conclusiones 11. Presupuesto

3 1. INTODUCCIÓN

5 2. MODULACIONES DIGITALES MODULACIONES Banda base: Señal transmitida en estado puro Transmisión Paso banda: Señal trasladada espectralmente Señal moduladora Señal modulada a transmitir Señal portadora

6 2. MODULACIONES DIGITALES Parámetros de la señal digital A b = 1 T b BW = 1 T b Tb A TS 1 1 S = = = BW V T n T = S b T TS =n Tb

7 2. MODULACIONES DIGITALES Parámetros de la señal digital modulada Interferencia entre símbolos (IES) Ancho de banda del pulso Jitter Fluctuaciones por distorsión y ruido del canal Probabilidad de error (Pe) elaciona bits erróneos y bits recibidos nº de bits erróneos P e = BE = nº bits emitidos Eficacia espectral (η) elaciona el flujo binario y el ancho de banda ocupado η = b BW

8 2. MODULACIONES DIGITALES CLASIFICACIÓN Amplitud Fase -ASK -BPSK -DBPSK -QPSK - OQPSK -PSK -MPSK Frecuencia Mixtas - MSK - FSK - GMSK - π/4-dqpsk -FQPSK -QAM -APSK

9 2. MODULACIONES DIGITALES MODULACIONES DE FECUENCIA FSK La frecuencia de la señal modulada varía con la amplitud de la señal moduladora π s( t) = A cos[ wft + d( t) dt] 2 t Índice de modulación: β = f f m Fase Señal F Datos

10 2. MODULACIONES DIGITALES MODULACIONES DE FECUENCIA FSK Sus circuitos moduladores y demoduladores fácilmente implementables VCO d(t) Amp s(t) Modulador FSK no coherente r(t) Amp limitador Discriminador Amp d(t) Demodulador FSK no coherente

11 2. MODULACIONES DIGITALES MODULACIONES DE FECUENCIA FSK Características: - Circuitería compleja - equiere dos señales de referencia Demodulador FSK coherente

12 2. MODULACIONES DIGITALES MODULACIONES DE FECUENCIA FSK ESPECTO FSK DETECCIÓN FSK: coherente y no coherente DEE Pe Frec

13 2. MODULACIONES DIGITALES FSK Multinivel VCO d(t) Codificador de 2 a 4 niveles DAC s(t) Modulador 4-FSK no coherente r(t) Amp Discriminador ADC Descodificador d(t) Demodulador 4-FSK no coherente

14 2. MODULACIONES DIGITALES MODULACIONES DE FECUENCIA FSK ESPECTO 4-FSK Pe M-FSK DEE Pe Frec

15 2. MODULACIONES DIGITALES MODULACIONES DE FECUENCIA GMSK Los datos son sometidos a un proceso de filtrado paso bajo Filtro gaussiano VCO Señal F d(t) Amp s(t) Fase Modulador GMSK no coherente Datos r(t) Amp limitador Discriminador Amp d(t) Demodulador GMSK no coherente

16 2. MODULACIONES DIGITALES Filtro Gausiano Presenta una buena respuesta en el dominio del tiempo ) ( = τ t e t h 2 ) ( ) ( w e w H τ π τ =

17 2. MODULACIONES DIGITALES Filtro Gaussiano Ancho de banda relativo (BT) BT = Ancho de banda Tiempo de bit BT=Infinito (MSK) IES para BT=0.5 IES para BT=0.25 BT=0.2 DEE BT=0.5 Amplitud Amplitud tiempo ( ns) tiempo( ns) BT=0.3 Frec

19 - Banda de frecuencia: GHz 3. ESTÁNDAES IEEE Se compone: 78 canales de 1MHz de ancho de banda - Modulación: 2-GFSK a 1 Mbps. 4-GFSK a 2 Mbps. -BT=0.5 - Utilizado: Transmisión de datos en general - Banda de frecuencia: GHz BLUETOOTH - Se compone: 78 canales - Modulación: 2-GFSK. 432 Kbps en modo bidireccional. 721 Kbps en modo asimétrico. - Utilizado: Aplicaciones multimedia

21 4. ADS Y LAS MODULACIONES DE FECUENCIA FSK y GFSK en ADS DT VtLFS_DT SC1 Vmod VCO VCO1 Vout 1 VCO -Kv: constante de sintonización -Freq: frecuencia del armónico fundamental - out: impedancia de salida - Harmonics: amplitud relativa de armónicos Modulador FSK vmod_filt Vout_filtered Filtro -Alpha: factor de caída del filtro -Symbolate: define el ancho de banda -Gain: factor de ganancia -Zout: impedancia de salida DT LPF_aisedCos LPF1 VCO VCO2 2 VtLFS_DT SC3 Modulador GFSK

22 4. ADS Y LAS MODULACIONES DE FECUENCIA FSK y GFSK en ADS Vmod Vout 0 DT VtLFS_DT SC1 VCO VCO Modulador FSK vmod_filt Vout_filtered DT LPF_aisedCos LPF1 VCO VCO2 2 freq, KHz Señal FSK Señal GFSK VtLFS_DT SC3 Modulador GFSK Picos característicos de FSK Minimización de los lóbulos secundarios

23 4. ADS Y LAS MODULACIONES DE FECUENCIA FSK y GFSK en ADS Vmod Vout DT VCO VCO1 1 0 VtLFS_DT SC DT Modulador 4-FSK Vmod_filt Vout_filtered -140 DT LPF_aisedCos LPF1 VCO VCO freq, KHz VtLFS_DT SC5 Señal 4-FSK Señal 4-GFSK DT Modulador 4-GFSK Picos característicos de FSK Ensanchamiento del espectro Minimización de los lóbulos secundarios

25 5. TECNOLOGÍA DE DISEÑO S35D4 de Austria Mikro System Transistor bipolar Condensador Transistor unipolar

26 5. TECNOLOGÍA DE DISEÑO Componentes L W L t Metal 1 d Aislante Metal 2 D/S G Óxido N+ N+ P+ Pozo N SubstratoP-

27 5. TECNOLOGÍA DE DISEÑO Componentes Surtidor Fox Pozo-p Puerta Sustrato-p Drenador Fox

29 6. Objetivos del proyecto Objetivos El objetivo de este proyecto es diseñar un Modulador GFSK integrado en tecnología SiGe de 0.35µm de AMS Elementos a diseñar: - Un filtro gausiano. -Un VCO. Características de los elementos: - Para el filtro gausiano: BT=0.5. (según IEEE ) - Para el VCO: Frecuencia de trabajo entre GHz. Tecnología de diseño: - S35D4 de Austria Mikro System.

31 DIAGAMA DE FLUJO DEL DISEÑO Diseño del Modulador Diseño a nivel de esquemático Diseño a nivel de layout ADS CADENCE Diseño del filtro paso bajo Gausiano espuesta en frecuencia Análisis Transitorio y reglas de diseño ealización del layout del núcleo del oscilador Diseño del par diferencial Tensiones, Corrientes y Ganancia Análisis Transitorio y reglas de diseño Incorporación de la red de salida Estudio del circuito tanque Estudio de la configuración Incluimos PADs y PD-Cs. Diseño de la red de salida Simulaciones post-layout Simulaciones a nivel de esquemático

32 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL FILTO N C1 prototipo L2 prototipo C3 prototipo L4 prototipo C5 prototipo L C = 2π f c 1 = 2π L f prototipo c C prototipo Vin L2 L4 Vout DATOS C1 C3 C5 - BT=0.5 - f=250 KHz

33 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL FILTO - BT=0.5 T b 1 = = 4µ s C1 L2 C3 L4 C5 - f=250 KHz 0.5 B = = 125KHz 3.14 nf 24.8 µh 16.5 nf µh nf freq, KHz espuesta en frecuencia del filtro

34 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Oscilador LC: Buenas prestaciones en radiofrecuencia. Esquema básico de un Oscilador f OSC = 2π 1 LC Condición de equilibrio o de Barkhausen A(s) β(s)=1 - La transconductancia GM debe compensar la pérdidas del circuito tanque. Esquema del oscilador LC con circuito tanque y elementos parásitos G M 1 = P

35 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Parámetros característicos del VCO: - Constante de sintonización (KV): mide la variación de frecuencia con respecto a la tensión de control f0+ f/2 f0 f0- f/2 K V = f V Vc Vc- V/2 Vc+ V/2 -uido de fase:mide el ruido generado por el oscilador, que se aglutina alrededor del armónico fundamental Armónico fundamental

36 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Diseño del amplificador de resistencia negativa: 1º Ecuación de amplificador diferencial Vcc= VL+VSAT2+ VSAT1 - Vout 2º Establecemos los valores de: Vsat1, Vsat2, Vout e ID 3º Calculamos la transconductancia(gm) g m 2 I = D A V = g m V L SAT 4º Dimensiones de los transistores (W y L) I D 1 = µ nc 2 OX W L ( V GS V T 2 )

37 7. DISEÑO DEL MODULADO Definimos: Vout=1.5V VSAT2= 0.3V VSAT1= 0.5V ID= 2 ma Vcc= VL+VSAT2+ VSAT1 - Vout VL=1 V L=500Ω g m 2 I = V D SAT g g m m 1 2 = 16mS = 13.3mS AV = gm 6.65(16.45dB) 2 L = - Dimensiones de los transistores (ecuación del MOSFET en saturación) I V D K SAT 1 = µ nc 2 GS OX T W L ( V GS V N = µ ncox 2 = V V T 2 ) W = L 2 I K V N D SAT L1(µm) W1(µm) L2(µm) W2(µm)

38 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Simulación DC del par diferencial: V_DC SC ma 4 ma I_DC SC4 V_DC SC6 0 A 0 A 0 A L L2 L=1.0 mh = C 0 A C1 V_AC C=1.0 mf SC2 6 =load 0 A 2.00 ma 2.30 V 2.30 V Vminus 2.00 ma pa MOSFET_NMOS ma MOSFET pa 2.00 ma 7 =load 2.30 V Vplus 2.00 ma 0 A 0 A 0 A MOSFET_NMOS ma MOSFET4 L L1 L=1.0 mh = C C2 C=1.0 mf 2.50 V 0 A V_DC SC5 0 V 0 A V_AC SC3 Simulación AC del par diferencial: db(ac.vplus-ac.vminus) Ganancia del par diferencial 4 ma 4.00 ma freq, GHz 4 ma -4 ma 0 A 4.00 ma -4 MOSFET_NMOS ma MOSFET3 MOSFET_NMOS ma MOSFET2

39 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Impedancia negativa del amplificador en par cruzado: 6 7 Modelo del par diferencial en pequeña señal Vout I_DC SC8 I_ S MOSFET_NMOS MOSFET7 MOSFET_NMOS MOSFET1 I_DC SC7 Z 1 = = Ω g m Par cruzado

40 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Configuración del circuito tanque: 6 L L1 C C1 L L2 7 Características: - Mayor resistencia - Más pérdidas - Ocupa más espacio Frecuencia (GHz) Dos bobinas Z in (Ω) Una bobina Frecuencia (GHz) Z in (Ω) Características: - Menor resistencia - Ocupa menos espacio L L3 C C

41 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Diseño de la red de salida (adaptada a 50Ω): Seguidor de fuente V_DC SC3 Z out = 50Ω g m = 20mS 1 Fijamos una ID=2 ma VSAT= 0.2 V Vin C C1 MM9_NMOS MOSFET1 I_DC SC1 g m 2 I = V D SAT 2 Vout Ecuación de salida del seguidor VCC=VSAT1+ Vout+VSAT2 Vout=2.9 V MM9_NMOS MOSFET2 MM9_NMOS MOSFET3 Aplicando la ecuación en saturación del MOSFET: - L= 0.5 µm - W= µm Z out = 1 g m ed de polarización: Si Ired= 30µA y VG=3V; = 10KΩ 1 2 = 100KΩ

42 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Simulación a nivel de esquemático: 6 L L1 L L2 7 I_DC SC4 I_DC SC3 10 L L3 V_DC SC2 8 V_DC SC1 Simulaciones: MOSFET_NMOS MOSFET6 SDD_Diode C1 C C2 C C1 SDD_Diode C2 C C3 MOSFET_NMOS MOSFET2 - Transitorio - Balance de armónicos 11 MOSFET_NMOS MOSFET7 MOSFET_NMOS MOSFET1 9 MOSFET_NMOS MOSFET_NMOS MOSFET_NMOS MOSFET9 MOSFET8 MOSFET5 MOSFET_NMOS MOSFET4 MOSFET_NMOS MOSFET3

43 7. DISEÑO DEL MODULADO Análisis transitorio (formas de onda): DISEÑO DEL VCO Señal en los drenadores del VCO Salida en modo asimétrico Salida en modo diferencial

44 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Balance de armónicos: 6 L L1 L L2 7 I_DC SC4 I_DC SC3 10 L L3 V_DC SC2 8 V_DC SC1 SDD_Diode C1 SDD_Diode C2 C C1 MOSFET_NMOS MOSFET6 C C2 C C3 OscPort Osc1 MOSFET_NMOS MOSFET2 11 MOSFET_NMOS MOSFET7 MOSFET_NMOS MOSFET1 9 MOSFET_NMOS MOSFET_NMOS MOSFET_NMOS MOSFET9 MOSFET8 MOSFET5 MOSFET_NMOS MOSFET4 MOSFET_NMOS MOSFET3

45 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Balance de armónicos: Espectro del VCO Curva tensión-frecuencia uido de fase Forma de onda de salida

46 7. DISEÑO DEL MODULADO DISEÑO DEL VCO Parámetros: Parámetro Valor Unidad Tensión de alimentación 3.3 V Tensión de salida 1.4 (2.8 en diferencial) Vpp Tensión de control V ango de oscilación GHz K V MHz/V 100Hz -80 1KHz -90 uido de fase Offset 10KHz -100 dbc/hz 100KHz MHz -120 Z out 50 Ω

48 8. LAYOUT DEL VCO NÚCLEO DEL VCO Centroide Común: Técnica para evitar que las dispersiones del proceso afecten de forma exclusiva a una parte del circuito. - Variaciones en el espesor de la capa de óxido (capacidades parásitas de los transistores) Dispersiones del proceso - Variación en el número de impurezas (movilidad de los electrones) - Variación del tamaño de los transistores (transconductancias, capacidades parásitas) Eje de simetría A B A Eje de simetría Estructura en par cruzado acoplado B A B Distribución final del par cruzado

49 8. LAYOUT DEL VCO AJUSTE DEL CICUITO TANQUE El layout Aparición de elementos parásitos Afectan al VCO reduciendo la frecuencia de oscilación EAJUSTE DEL TANQUE Procedimiento habitual Procedimiento excepcional Disminuyendo el valor capacitivo del tanque aumenta la frecuencia de oscilación f osc = 2π 1 LC Debido al alto valor inductivo del tanque (2 bobinas), el valor capacitivo resultante es muy pequeño (ff). Hay que reducir el valor inductivo de las bobinas

50 8. LAYOUT DEL VCO

51 8. LAYOUT DEL VCO SIMULACIONES POST-LAYOUT Análisis transitorio (formas de onda): Salida en modo asimétrico diferencial

52 8. LAYOUT DEL VCO SIMULACIONES POST-LAYOUT Balance de armónicos: Curva tensión-frecuencia (Hz) Vtune

53 8. LAYOUT DEL VCO SIMULACIONES POST-LAYOUT Balance de armónicos: uido de fase (dbc/hz) Freq(Hz)

54 8. LAYOUT DEL VCO SIMULACIONES POST-LAYOUT Balance de armónicos: Pushing GHz Vcc

55 8. LAYOUT DEL VCO SIMULACIONES POST-LAYOUT Balance de armónicos: Pulling MHz rload

56 8. LAYOUT DEL VCO SIMULACIONES POST-LAYOUT Parámetros: Parámetro Valor Unidad Tensión de alimentación 3.3 V Tensión de salida 1.8 Vpp Tensión de control V ango de oscilación GHz K V -35 MHz/V 100Hz -54 1KHz -73 uido de fase Offset 10KHz -94 dbc/hz 100KHz MHz -135 Z out 50 Ω

58 9. INTEGACIÓN EN UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN Sistema MODEM Demodulador Modulador

59 9. INTEGACIÓN EN UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN Sistema MODEM IFspectrum IFspectrum IFspectrum freq, MHz freq, MHz freq, MHz

61 10. CONCLUSIONES 1ª El filtro gausiano no es integrable, por el elevado valor de sus componentes. 2ª Aunque la resistencia parásita asociada al tanque con dos bobinas es mayor, esta estructura permite conseguir fácilmente la oscilación. 3ª El valor de la constante de sintonización (KV) depende del punto en el que nos encontremos de la curva tensión-frecuencia. 4ª En GFSK, el índice de modulación (β) debe ser diferente de 0.5.

62 10. CONCLUSIONES Parámetros: Componentes del filtro paso bajo Gausiano C 1 L 2 C 3 L 4 C nf µh nf µh nf esistencia de Carga(Ω) Par diferencial Amplificador Diferencial Fuente de corriente Seguidor de fuente Seguidor Fuente de corriente esistencia de polarización 1 2 L(µm) W(µm) L(µm) W(µm) L(µm) W(µm) L(µm) W(µm) (kω) (kω)

63 10. CONCLUSIONES Tabla comparativa: Fabricante o Tecnología Vcc (V) Icc (ma) ango de oscilación (GHz) uido de Fase (dbc/hz) Kv (MHz/V) VTUNE (V) Comentarios MAX offset=4mhz equiere condensadores externos de acoplo K-LO offset=1mhz CMOS 0.25µm offset=600hz Salida no adaptada a 50Ω CMOS 0.8µm offset=1mhz Totalmente integrado Salida no adaptada CMOS 0.35µm offset=1mhz No integra la bobina del circuito tanque SiGe 0.35µm offset=600hz offset=1mhz offset=4mhz Totalmente integrado con salidas adaptadas a 50Ω

65 11. PESUPUESTO Presupuesto detallado: Costes Total (euros) Costes de herramientas software Costes de equipos informáticos Costes de recursos humanos Costes de fabricación del prototipo Otros costes Subtotal IGIC(5%) PESUPUESTO TOTAL

67 DISEÑO O DE UN MODULADO GFSK INTEGADO EN TECNOLOGÍA A SiGe 0.35µm m de AMS AUTO: GUILLEMO PEDOMO EYES SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN TUTOES: FANCISCO JAVIE DEL PINO SUÁEZ SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI