Proyecto Fin de Carrera del alumno Jonás Pérez Quintana para la EUITT de la ULPGC

1. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación
Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) para un receptor
basado en el Estándar DVB‐H
Autor: D. Jonás Pérez Quintana Tutor: Dr. D. Francisco Javier Del Pino Suárez
Cotutor: D. Hugo García Vázquez

2. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGIA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

3. Introducción al Estándar DVB‐H

4. Introducción al Estándar DVB‐H
El estándar DVB‐H (Digital Video Broadcasting ‐ Handheld) es una
modificación del estándar DVB‐T (Digital Video Broadcasting ‐ Terrestrial).
Los cambios más destacables se enumeran a continuación:
 BAJO CONSUMO
 MEJORA LA RECEPCION
 COMPROMISO ENTRE CALIDAD Y TAMAÑO DE LA RED

5. Introducción al Estándar DVB‐H
Información general del estándar:
Los canales los recibe de la misma forma que llega la televisión digital
terrestre.
Aporta calidades y formatos de audio y video muy superiores a lo que
estamos acostumbrados .
En Europa sustituirá a la TV tradicional en abierto.
Para la recepción de la señal no intervienen las operadoras moviles.
Va dirigido no solo a móviles, sino también PDAS, videoconsolas
portátiles…
Los móviles para recibir la señal tendrán que ser de 2G o 3G.

6. Introducción al Estándar DVB‐H
Frecuencias de trabajo UHF: 470 – 862 MHz
Canales de 6, 7 y 8MHz

7. Introducción al Estándar DVB‐H
Esquema de un receptor para DVB‐H

8. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGIA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

9. OBJETIVOS
 Diseñar un amplificador de bajo ruido (LNA) con
tecnología S35D4 para el estándar DVB‐H completamente
integrado que cumpla con las especificaciones necesarias
para formar parte de un receptor DVB‐H.
 Verificar la validez de la tecnología empleada en la
implementación de un LNA para dicho estándar.

10. OBJETIVOS
Características del LNA:
Ganancia de potencia (dB) 20
IIP3 (dBm) 0
Figura de ruido (dB) 2.5
Consumo (mW) Menor posible
Impedancia de entrada (Ohm) 50
Impedancia de salida (Ohm) 50

11. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGIA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

12. TECNOLOGÍA S35D4
 4 metales y 2 polys
 Elementos pasivos
 Transistores MOSFET
 Transistores Bipolares

13. TECNOLOGÍA S35D4
RESISTENCIA
CONDENSADOR
Metal 1 A
d Aislante
Metal 2
BOBINA

14. TECNOLOGÍA S35D4
MOSFET
BIPOLAR (HBT)

15. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGIA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

16. TEORIA DE LOS LNAs
Amplificador emisor común
VDD
vo
Av    g m RL
vi
RL

Z in  V0
gm
rb  re 1 g R g R
F  1   m S  m 2S
RS 2 g m RS 2 2
RS
+
Vi
-

17. TEORIA DE LOS LNAs
LNA para banda ancha
VDD
Carga VOUT
Red
adaptación M1
entrada
RFIN

18. TEORIA DE LOS LNAs
Consideraciones de banda ancha
► Adaptación de entrada de banda ancha
► Carga de banda ancha

19. TEORIA DE LOS LNAs
Consideraciones de banda ancha
► Adaptación de entrada de banda ancha
Filtros en escalera o ladder filters
L=R/ 0
ZIN C=1/ 0 R R

20. TEORIA DE LOS LNAs
Consideraciones de banda ancha
► Adaptación de entrada de banda ancha
 s   s   0 
Si trasladamos el filtro paso bajo     
     s 
 0  0

21. TEORIA DE LOS LNAs
Consideraciones de banda ancha
► Carga de banda ancha
Carga RC
-20
R C -25
Vout R
dB(vout)
-30
Vout -35
C
Vin
Z OUT
-40
1E9 1E10 1E11
freq, Hz
BWRC = 1/RC

22. TEORIA DE LOS LNAs
Consideraciones de banda ancha
► Carga de banda ancha
Series-peaking
Variamos Lseries
L -10
R -20
L Vout ZOUT
dB(vout3)
C -30
R
-40
C
Vin -50
Vout
-60
1E9 1E10 1E11
freq, Hz
Mejora BWRC* 1.41

23. TEORIA DE LOS LNAs
Consideraciones de banda ancha
► Carga de banda ancha
Shunt-peaking
Variamos Lshunt
L -15
-20
dB(vout2)
R ZOUT L -25
Vout C
-30
R
-35
C
Vin Vout
-40
1E9 1E10 1E11
freq, Hz
Mejora BWRC* 1.85

24. TEORIA DE LOS LNAs
Consideraciones de banda ancha
► Carga de banda ancha
Shunt-series-peaking
Variamos Lseries y Lshunt
Lshunt
Ls eries -10
ZOUT
-20
R -30
dB(vout4)
Ls eries Vout Lshunt
C -40
-50
R
-60
C
Vin Vout -70
1E9 1E10 1E11
freq, Hz

25. TEORIA DE LOS LNAs
Estructura propuesta 1
V
V
DD
DD
R S
R S
L C
L C
V OU T
V OU T Q 2
C
Q 1
C
Q 1
R S
C R
L B
L
S
C
B
E L B
L
+
B
E
+
V
IN
V
IN
- -

26. TEORIA DE LOS LNAs
Amplificador realimentado resistivamente
RL VDD
 g m RL
vo RF  g m RL
Av   
vi R R
1 L 1 L
RF RF RL
RF V0
R  RL R  RL
Z in  F  F
( 1  g m RL ) g m RL
rb  re 1 g R g R 1 RS RS
F  1   m S  m 2S   RS
RS 2 g m RS 2 2 2
2 g m RF RF
+
Vi
-

27. TEORIA DE LOS LNAs
Estructura propuesta 2
V
DD
R A
V OUT
R B
C A V
GAIN
C
R S
+
VIN
-

28. TEORIA DE LOS LNAs
ESTRUCTURAS PROPUESTAS
Cascodo Cascodo realimentado
V DD
V
DD
R S
R A
V OUT
L C R B
V
C A V
G AIN
OU T
Q 2
C
Q 1 C
R S
C R
L
B B
L
S
E
+
+
V
IN
VIN
- -

29. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGÍA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

30. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
ESTRUCTURA PROPUESTA 1: CASCODO
VD D
RS
LC
VOU T
Q2
C
Q1
RS
LB CB LE
+
VIN
-

31. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Los pasos que vamos a seguir para el diseño de este circuito
son los siguientes:
Configuración de la polarización del LNA.
Adaptación de entrada y de salida.
Verificación y optimización de resultados.

32. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Mínima figura de ruido frente a la
corriente de polarización.

33. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Los pasos que vamos a seguir para el diseño de este circuito
son los siguientes:
 Configuración de la polarización del LNA.
Adaptación de entrada y de salida.
Verificación y optimización de resultados.

34. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
VD D
RS
LC
VOU T
Q2
C
Q1
RS
LB CB LE
+
VIN
-

35. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
LB = 39,8 nH
High-pass
Cπ = 7,96 pF
LE = 8,84 nH
Low-pass
CB = 3,53 pF

36. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Los pasos que vamos a seguir para el diseño de este circuito
son los siguientes:
 Configuración de la polarización del LNA.
Adaptación de entrada y de salida.
Verificación y optimización de resultados.

37. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
SEGUNDO DISEÑO: CASCODO REALIMETADO
VD D
R L
VOU T
R
F
C
F V
GAIN
C
RS
+
VIN
-

38. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Los pasos que vamos a seguir para el diseño de este circuito
son los siguientes:
Configuración de la polarización del LNA.
Adaptación de entrada y de salida.
Verificación y optimización de resultados.

39. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Mínima figura de ruido frente a la
corriente de polarización.

40. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Los pasos que vamos a seguir para el diseño de este circuito
son los siguientes:
 Configuración de la polarización del LNA.
Adaptación de entrada y de salida.
Verificación y optimización de resultados.

41. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
VD D
RL R L
Av  r ' e
R VOU T
1 L R
F
RF
C
F V
GAIN
RF  RL Z OUT 
RF
Z IN 
RL RBIAS RF r ' e C
1
r'e r'e RS
+
VIN
-
50 Ω
RB  RE 1 g R g R 1 RS RS
F 1   m S  m 2S  
RS 2 g m RS 2 2 2
2 g m RF RF

42. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
RL RB  RE 1 gR gR 1 RS RS
F 1   m S  m 2S  
Av  r ' e RS 2gmRS 2 2 2gm RF RF 2
R
1 L
RF
RF

43. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
RF  RL Z OUT 
RF
Z IN 
RL RBIAS RF r ' e
1
r'e r'e

44. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
V
DD
R
L
V
O UT
R
F
C F V
GAIN
C LB
R S
+
VIN
-

45. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
RL = 300 Ω
Valor de los componentes RF = 600 Ω
RBIAS = 300 Ω

46. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Los pasos que vamos a seguir para el diseño de este circuito
son los siguientes:
 Configuración de la polarización del LNA.
 Adaptación de entrada y de salida.
Verificación y optimización de resultados.

47. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO

48. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO

49. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO

50. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
OIP3=14
(dBm)
IIP3= ‐4
(dBm)

51. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
V
DD
R
L
V
O UT
R
F
C F V
GAIN
C LB
R S
+
VIN
-

52. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
1 V
VGAIN
3 V

53. DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
Frecuencia de trabajo (MHz) De 470 a 862
Consumo (mW) 14
Ganancia de potencia (dB) 19 max ‐ ∆ 10
Figura de ruido (dB) 1.7
IIP3 (dBm) ‐4
OIP3 (dBm) 14
Impedancia de entrada (Ω) 50
Impedancia de salida (Ω) 50

54. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGÍA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

55. DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
VGAIN VCC
S G S
RL
G G
RFIN RF
VBIAS S LB Q1,Q2 S RFOUT
CF
G G

56. DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
18,5
Esquematico
18,0
Typical case
17,5
Worst case
17,0
16,5
16,0
15,5
Ganan (dB)
15,0
14,5
14,0
13,5
13,0
12,5
12,0
11,5
11,0
400 500 600 700 800 900
Freq (MHz)

57. DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
-19,5
-19,6
-19,7
-19,8 Esquemático
-19,9 Typical case
-20,0 Worst case
-20,1
-20,2
S12 (dB)
-20,3
-20,4
-20,5
-20,6
-20,7
-20,8
-20,9
-21,0
-21,1
-21,2
400 500 600 700 800 900
Freq (MHz)

58. DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
2,9
2,8 Esquematico
2,7 Typical case
2,6 Worst case
2,5
2,4
Figura NF (dB)
2,3
2,2
2,1
2,0
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
400 500 600 700 800 900
Freq (MHz)

59. DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
Esquemático
-9,0 S22
S11
-9,5
-10,0
-10,5
dB
-11,0
-7,5
-8,0
S22
-11,5
S11
-8,5
-12,0
-9,0
-12,5 -9,5
-10,0
-13,0
400M 500M 600M 700M 800M 900M -10,5
dB
Frecuencia -11,0
-7,5 -11,5
-8,0
S22 -12,0
S11
-8,5 -12,5
-9,0 -13,0
-9,5
-13,5
-10,0
-14,0
-10,5
dB
-11,0 400M 500M 600M 700M 800M 900M
-11,5 Frecuencia
-12,0
-12,5
-13,0
-13,5
Typical case
-14,0
400M 500M 600M 700M 800M 900M
Frecuencia
Worst Case

60. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGÍA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

61. MEDIDAS DEL DISEÑO

62. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up parámetros S
VNA
RF WIRE RF WIRE
POWER SUPPLY
DC WIRES DC-BLOCKS
BIAS-T
PROBE SGS
VGain GND VCC
GND
GND
PROBE GSG
PROBE GSG
OUT
IN
LNA
GND
GND

63. MEDIDAS DEL DISEÑO
Parámetros S en frecuencias de 250 MHz hasta 3 GHz
20 S11
S21
15 S12
10 S22
5
Parametros S (dB)
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
500 1000 1500 2000 2500 3000
Freq (MHz)

64. MEDIDAS DEL DISEÑO
Parámetros S en frecuencias de 450 MHz hasta 900 MHz
20
15
10
S11
5
S21
Parametros S (dB)
0 S12
-5 S22
-10
-15
-20
-25
-30
-35
450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
Freq (MHz)

65. MEDIDAS DEL DISEÑO
Ganancia en frecuencias hasta 3 GHz variando VGain
30
vgain1
25 vgain1.5
vgain2
20 vgain2.5
vgain3
15
Gain
10
5
0
-5
-10
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Freq (MHz)

66. MEDIDAS DEL DISEÑO
Ganancia en la frecuencia de trabajo variando VGain
20
15
10
Gain (dB)
5
0 vgain1
vgain1.5
vgain2
-5
vgain2.5
vgain3
-10
450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
Freq (MHz)

67. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida del ruido

68. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida del ruido

69. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida del ruido

70. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida del ruido
Bias-T Cable Cable
corto largo
LNA

71. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida del ruido
Cable Cable
largo Bias-T Cable largo
corto
Atenuación=1.51dB
Cable Cable
largo largo
Atenuación=0.64dB
Bias-T Cable
corto
Atenuación=0.87dB

72. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida del ruido

73. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida del ruido
6,5 NFmed
NFcorr
6,0
5,5
5,0
NF (dB)
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Freq (MHz)

74. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida del ruido
6,5 NFmed
NFcorr
6,0
5,5
5,0
NF (dB)
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
Freq (MHz)

75. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida de la linealidad
FUENTE DE ALIMENTACION
GENERADOR DE SEÑAL
CABLE DC
PUNTA SGS ANALIZADOR DE ESPECTROS
666 MHz
CABLE RF
VGAIN=1.5 a 3 V
VCC = 3.3 V
VGAIN GND VCC CABLE RF
D C-BLOCK
GND
GND
PUNTA GSG
PUNTA GSG
MINI-CIRCUITS
50-1000 MHz
SPLITTER
ZFSCJ-2-4
CABLES RF
OUT
IN
BIAS-T
LNA
CABLES RF
GND
GND
CABLE RF
666.1 MHz
GENERADOR DE SEÑAL

76. MEDIDAS DEL DISEÑO
Set‐up medida de la linealidad

77. MEDIDAS DEL DISEÑO
Medida de la linealidad

78. MEDIDAS DEL DISEÑO
Medida de la linealidad
OIP3= 20
(dBm) 30
20
10
0
-10
Pout (dBm)
-20
-30
-40
-50
-60
-70
Poutfund
-80 Poutint
-90
-30 -20 -10 0 10
IIP3= 6
Pin (dBm)
(dBm)

79. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGÍA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

80. CONCLUSIONES
Simulaciones
LNA post‐layout Medidas
LNA
S21 (dB) 18,2 15
NF (dB) 1,9 2,7
Consumo (mW) 14 11,25
Frec. De medida (MHz) 470-862 470-862
IIP3 (dBm) -5 6
ITOTAL (mA) 4,2 3,4
Vcc (V) 3,3 3,3

81. CONCLUSIONES
LNA IUMA Andreas Patrick Youchun
Kämpe Antoine Liao
Tecnología SiGe CMOS SiGe CMOS
Vdd (V) 3,3 3,3 2,8 2,5
Consumo (mW) 11,25 36 47,6 30
Frec. De medida 470-862 470-862 470-862 50-860
(MHz)
Ganancia de 15 26 14 13,4
potencia(dB)
IIP3 (dBm) 6 4,5 12 3,3
NF (dB) 2,7 4,1 8 3,5
Referencia Este [22] [21] [23]
proyecto

82. CONCLUSIONES
Publicaciones en congresos internacionales:
•“A SiGe Front‐End for a portable DVB‐H Receiver” en el XXII Conference
on Design of Circuits and Integrated Systems (Sevilla 2007)
•“A BiCMOS Chipset for a DVB‐H front‐end receiver” en el XXIII
Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (Grenoble 2008)

83. INTRODUCCION
OBJETIVOS
BLOQUE 1:
TECNOLOGÍA S35D4
TEORIA DE LOS LNAs
DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO
BLOQUE 2: DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT
MEDIDAS DEL DISEÑO
CONCLUSIONES
BLOQUE 3:
PRESUPUESTO

84. PRESUPUESTO
Descripción Gastos
Costes de recursos humanos 209,15€
Costes de ingeniería 32.256€
Costes de amortización 237,8€
Costes de medida 1099,23€
Costes de fabricación 450€
Otros costes 151,00€
PRESUPUESTO FINAL 34.403,18€
TOTAL (IGIC 5%) 36.123,77€

85. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación
Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) para un receptor
basado en el Estándar DVB‐H
Autor: D. Jonás Pérez Quintana Tutor: Dr. D. Francisco Javier Del Pino Suárez
Cotutor: D. Hugo García Vázquez