Diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA) para el estándar inalámbrico UWB en tecnología SiGe 0.35 μm

Diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA) para el estándar inalámbrico UWB en tecnología SiGe 0.35 μm Autor: Jesús s Rubén n Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino SuárezS ETSIT Ingeniería a Electrónica Cotutora: : Amaya Goñi Iturri ULPGC Mayo de 2007 Proyecto Fin de Carrera 1

Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Bloque 1 Estándar IEEE 802.15.3a Características de los LNAs Tecnología SiGe 0,35 m de AMS Diseño a nivel de esquemático Bloque 2 Diseño a nivel de layout Medidas Bloque 3 Conclusiones Presupuesto 2

Introducción 3

Introducción Redes Inalámbricas Fijas» MMDS» LMDS» Microondas punto a punto» Enlaces ópticos Redes Inalámbricas Móviles» WWAN» WMAN» WLAN» WPAN 4

Introducción 5

Introducción Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band) Velocidades de transmisión de hasta 400-500 Mbps 6

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 7

Introducción Transceiver de UWB LNA Filtro ADC Filtro Sintetizador Banda Base MAC PA Filtro DAC 8

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. 10

Estándar IEEE 802.15.3a Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF) Características del estándar IEEE 802.15.3a 12

Características de los sistemas de RF Ganancia Figura de ruido (NF) Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3) Coeficiente de onda estacionario (VSWR) 13

Ganancia Relación entre las amplitudes de las señales de entrada y salida de un circuito LNA G V V salida entrada G( db) V 20 log V salida entrada 14

Figura de ruido Vn 1 Vn T 2 t F F P P G N 0 Ni A F P P S i S 0 / / P P N i N 0 SNR SNR i 0 NF F(dB) 15

Para dos etapas en cascada: NF1 NF2 GA1 GA2 F F 1 F 2 1 G A 1 16

Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3) Nos informa acerca de la linealidad de un circuito OIM3 1 2 OIM3 1-2 1 2 2-1 Señal deseada 1 2 Señal deseada 1-2 1 2 2-1 17

Psalida (dbm) Pin P 2 OIP3 Potencia de la señal principal P P Potencia de IM (IM3) IM3 Curvas Reales P 2 1-2 1 2 2-1 1 20 log (Ain) IIP3 Pentrada (dbm) 2 18

Coeficiente de onda estacionario (VSWR) Medida cuantitativa de la adaptación del circuito a la entrada (VSWR1) o a la salida (VSWR2). L Onda Onda incidente reflejada VSWR VSWR 1 1 19

Estándar IEEE 802.15.3a Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF) Características del estándar IEEE 802.15.3a 20

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) 21

Características del estándar IEEE 802.15.3a Especificaciones del receptor para UWB-MBOA (zero-if) Filtro LNA Filtro (Banda Base) ADC Banda Base (MAC) Sintetizador 22

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 23

Especificaciones del receptor para UWB-MBOA Sensibilidad -83.6 a -72.6 dbm NF Ganancia de compresión a 1dB/IIP3 Ruido de fase Ganancia tensión 6-7 db -18.56 dbm/-9 dbm -100 dbc/hz a 1 MHz 84 db Total CAG 60 db 24

Especificaciones del LNA NF IIP3 Ganancia Impedancia de entrada Impedancia de salida Aislamiento inverso Consumo de Potencia < 6 db > -10 dbm 9 db 50 Ω 50 Ω 20 db Menor Posible 25

LNA para UWB Amplificador Distribuido Vd Load DC Block L d /2 C d C d C d C d L d L d L d L d /2 Output Bias T Bias T L g /2 L g L g L g L g /2 DC Block Input Load Vg Amplificador con Carga de Banda Ancha y Red de Adaptación de Entrada V CC Carga (BA) RF OUT V B Q CAS2 RF IN Red de Adaptación de Entrada (BA) Q CAS1 27

Amplificador de Banda Estrecha V CC Carga S 21 NF RF OUT V B Q CAS2 f 0 f 0 RF IN Red De Adaptación de Entrada Q CAS1 S 11 S 22 f 0 f 0 28

Amplificador de Banda Estrecha V CC L C RF OUT V B Q CAS2 RF IN L b Q CAS1 C L e L e R= T Le 29

Amplificador de Banda Ancha V CC Carga (BA) RF OUT S 21 NF V B Q CAS2 RF IN Red de Adaptación de Entrada (BA) Q CAS1 f 1 S 11 f 2 f 1 f 2 S 22 f 1 f 2 f 1 f 2 30

Red de Adaptación de Entrada V CC Carga (BA) RF OUT V B Q CAS2 RF IN Red de Adaptación de Entrada (BA) Q CAS1 31

Red de Adaptación de Entrada V CC Carga RF OUT V B Q CAS2 Q CAS1 C L e RF IN L b C b L e R= T Le 32

Carga V CC Shunt-peaking Series-peaking Carga RC L Carga RF OUT R R L V out V out out V B Q CAS2 V in V V in in C C C RF IN L b Cb Q CAS1 L e BW RC * 1.85 BW RC * 1.41 =1/RC p =1/RC p =1/RC 33

LNA para UWB V CC LOUT ROUT RF OUT V B Q CAS2 Q CAS1 RF IN L b C b L e 34

Tecnología SiGe 0,35 m de AMS 36

Componentes activos y pasivos 37

Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Bloque 1 Estándar IEEE 802.15.3a Características de los LNAs Tecnología SiGe 0,35 μm de AMS Diseño a nivel de esquemático Bloque 2 Diseño a nivel de layout Medidas Bloque 3 Conclusiones Presupuesto 38

Diseño a nivel de esquemático Configuración apropiada del LNA Polarización óptima y dimensionado de los transistores Adaptación de entrada y de salida Verificación y optimización de resultados 39

Configuración apropiada del LNA V CC V CC LOUT LC RC ROUT V B Q CAS2 RF OUT VBIAS2 Q 2 COUT Q 3 LOUT RF OUT Q CAS1 CB RB RF IN L b Cb L e VBIAS1 C1 LB C2 Q 1 LE CIN RF IN 40

Polarización óptima de los transistores V CC LC RC Q 3 COUT VBIAS2 Q 2 LOUT RF OUT CB RB VBIAS1 C1 LB C2 Q 1 LE Averiguamos la di=i/a para mínimo ruido realizando barrido de Ic CIN di = Cte RF IN Variamos el tamaño y polarización del transistor para que R opt = 50 Ω (resistencia para mínimo ruido) 41

Adaptación de entrada V CC LC RC Q 3 COUT VBIAS2 Q 2 LOUT RF OUT CB RB Zb Zb Q1 R C2 L2 VBIAS1 C1 LB C2 Q 1 VS L1 C1 R LE LE CIN RF IN 42

Adaptación de entrada (II) Zb R C2 L2 VS L1 C 1 R C2 L2 L R 1 & C 2 L L R 1 L1 C1 L R 1 & C 1 U U R 2 L L U U 43

Adaptación de salida y Buffer V CC LC RC Q 3 COUT VBIAS2 Q 2 LOUT RF OUT CB RB VBIAS1 C1 LB C2 Q 1 LE CIN RF IN 44

Cálculo de Componentes Inductivos Software Imodel 45

Cálculo de Componentes Inductivos Integración de Imodel con ADS 46

Cálculo de Componentes Inductivos (II) Resultados Inductance (nh) 6 5 4 3 2 B1 B2 B3 Quality factor 16 12 8 4 0-4 B1 B2 B3 1-8 0 1 10 Frequency (GHz) 20 10-12 1 10 B1 B2 B3 Frequency (GHz) db(s 21 ) 0-10 -20-30 1 10 Frequency (GHz) 47

Resultados 48

Resultados (Cont.) 49

Estructura del Proyecto Introducción Objetivos Bloque 1 Estándar IEEE 802.15.3a Características de los LNAs Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS Diseño a nivel de esquemático Bloque 2 Diseño a nivel de layout Medidas Bloque 3 Conclusiones Presupuesto 50

Diseño a nivel de layout 51

Simulaciones Post-Layout 15 10 12 NF Esquematico NF Typical Case NF Worst Case 11 5 10 S21(dB) 0 NF(dB) 9 8-5 7-10 -15 S21esquematico S21TypicalCase S21WorstCase 6 5 2 4 6 8 10 Frequency (GHz) 4 2 4 6 8 10 Frecuencia (GHz) 52

Simulaciones Post-Layout (II) 0-5 S11esquematico S11TypicalCase S11WorstCase 0-1 S22esquematico S22TypicalCase S22WorstCase S11(dB) -10-15 S22(dB) -2-3 -20-4 -25-5 -30 2 4 6 8 10 Frequency (GHz) 2 4 6 8 10 Frequency (Hz) 53

Simulaciones Post-Layout (III) -20-30 -40 S12(dB) -50-60 -70-80 -90 2 4 6 8 10 Frequency (Hz) S12esquematico S12TypicalCase S12W orstcase 54

Medidas Calibración VNA RF WIRE RF WIRE DC-BLOCKS PROBE GSG G S G G S G PROBE GSG Calibration Substrate 56

Run de Fabricación 57

Fotografía del Chip 58

Medidas Set-up de medidas RF WIRE VNA POWER SUPPLY RF WIRE DC WIRE DC-BLOCKS VBIAS2 PROBE GSG PROBE GSG GND IN GND GND VBIAS2 GND VBIAS1 Amplifier GND VCC GND OUT GND PROBE GSG PROBE SGS DC WIRE VBIAS1 DC WIRE VCC (3.3 V) POWER SUPPLY 59

Medidas Set-up de medidas 60

Medidas 61

Medidas 62

Resultados (I) 15-20 10-30 -40 S21(dB) 5 S12(dB) -50 0-60 -5-10 S21esquematico S21TypicalCase S21WorstCase ooooooo S21Measurements 2 4 6 8 10 Frequency (GHz) -70-80 -90 S12esquematico S12TypicalCase S12WorstCase oooo S12 Measurements 2 4 6 8 10 Frequency (Hz) 63

Resultados (II) 0 0-10 S11(dB) -20 S22(dB) -5-30 -40 2 4 6 8 10 Frequency (GHz) S11esquematico S11TypicalCase S11WorstCase ***** S11 Medidas -10 S22esquematico S22TypicalCase S22WorstCase ******* S22 Measurements 2 4 6 8 10 Frequency (Hz) 64

Conclusiones Figura de Mérito FOM P P 1dB NOISE P 1 DC BW f T 66

Estudio Comparado Referencia TIPO (*) Ganancia (db) BW (GHz) NF (db) P 1dB (dbm) f T (GHz) P DC Núcleo (mw) Tecnología FOM [42] DA 13,7 6,9 2,4 4,7 15,4 35 [41] BA 21 10 2,5 5,86 90 30 [43] DA 12,2 6 5,1-3 43,5 35 [8] BA 9,3 6,9 4-16,3 50 9 [31] BA 12 15 3-7,6 50 23,76 Este trabajo BA 11,6 8,5 5,5-0,264 70 12 CMOS (0.25 m) SiGe (0.18 m) CMOS (0.18 m) CMOS (0.18 m) SiGe (0.5 m) SiGe (0.35 m) 13689,32 53594,11 9190,45 4201,06 17337,94 46394,07 67

Conclusiones - 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. 68

Conclusiones - 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. 69

Presupuesto Descripción Costes de recursos humanos Gastos 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 71

Diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA) para el estándar inalámbrico UWB en tecnología SiGe 0.35 μm Autor: Jesús s Rubén n Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino SuárezS ETSIT Ingeniería a Electrónica Cotutora: : Amaya Goñi Iturri ULPGC Mayo de 2007 Proyecto Fin de Carrera 72