AN RF RECEIVER BASED ON CURRENT CONVEYORS FOR DVB-SH
Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) en Tecnología SiGe 0,35 μm para el Estándar Inalámbrico IEEE 802.11a
1. Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido
(LNA) en Tecnología SiGe 0,35 µ m para el
estándar inalámbrico IEEE 802.11a
Autor: Jesús Rubén Pulido Medina Tutor: Francisco Javier del Pino Suárez
EUITT Sistemas Electrónicos Cotutor: Sunil Lalchand Khemchandani
ULPGC Abril de 2004
Proyecto Fin de Carrera
2. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Estructura del Proyecto Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2 Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
3. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Introducción
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
4. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Estructura del Proyecto Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2 Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
5. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
● Objetivos
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
- Diseño de un LNA con tecnología SiGe 0,35 µm para el
estándar inalámbrico IEEE 802.11a.
- 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.
6. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Estructura del Proyecto Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2 Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
7. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Estándar IEEE 802.11a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF)
Características del estándar IEEE 802.11a
Tipos de receptores
8. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Características de los sistemas de RF
• Ganancia
• Figura de ruido (NF)
• Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3)
• Coeficiente de onda estacionario (VSWR)
9. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Ganancia
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Relación entre las amplitudes de las señales de entrada y
salida de un circuito
LNA
Vsalida Vsalida
G= G (dB) = 20 log
V
V entrada entrada
10. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Figura de ruido
Vn 1 2
|Vn|
T
t F
PN 0 PS i / PN i SNRi
NF = NF = =
P Ni ⋅G A PS 0 / PN 0 SNR0
11. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Para dos etapas en cascada:
NF1 NF2
GA1 GA2
NF2 − 1
NF = NF1 +
G A1
12. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Punto de intercepción
Amplificador de Bajo Ruido (LNA) de Tercer Orden (IP3)
Nos informa acerca de la linealidad de un circuito
OIM3
ω ω
ω1 ω2 2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1
OIM3 Señal
deseada
ω ω
ω1 ω2 2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1
Señal
deseada
13. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Psalida (dBm)
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA) OIP3
Potencia de la señal
∆P
principal
2
Pin
Potencia de IM
∆P ∆P (IM3)
Curvas
IM3 Reales
∆P
2
ω
2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1 IIP3 Pentrada (dBm)
20 log (Ain)
ω1
ω2
ω
14. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Coeficiente de onda estacionario (VSWR)
Medida cuantitativa de la adaptación del circuito a la entrada
(VSWR1) o a la salida (VSWR2).
Onda _ incidente VSWR − 1
| ΓL |= =
Onda _ reflejada VSWR + 1
15. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Estándar IEEE 802.11a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF)
Características del estándar IEEE 802.11a
Tipos de receptores
16. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
• de 2004
AbrilCaracterísticas del estándar IEEE 802.11a Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Bandas U-NII Inferior y Media :8 canales en 200 MHz con un espaciado de 20 MHz
30 MHz 30 MHz
5150 5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320 5350 MHz
Banda U-NII Superior: 4 canales en 100 MHz con un espaciado de 20 MHz
20 MHz 20 MHz
5725 5745 5765 5785 5805 5825 MHz
17. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Sensibilidad de entrada
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Rechazo
Rechazo de
alternativo de
Tasa de bits Sensibilidad canales
canales
(Mbits/s) mínima (dBm) adyacentes
adyacentes
(dB)
(dB)
6 -82 16 32
9 -81 15 31
12 -79 13 29
18 -77 11 27
24 -74 8 24
36 -70 4 20
48 -66 0 16
54 -65 -1 15
18. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Estándar IEEE 802.11a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF)
Características del estándar IEEE 802.11a
Tipos de receptores
19. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Tipos de receptores
• Receptor de conversión directa
• Receptor de doble conversión
• Receptor de arquitectura Weaver modificada
20. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Receptor Ruido (LNA)
Amplificador de Bajo de conversión directa
I
Sintetizador
LNA
5.15-5.825 GHz
90º
Q
Banda Base RF
21. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Receptor Ruido (LNA)
Amplificador de Bajo de doble conversión
I
RF FI Sintetizador
LNA IF
1.15-1.825 GHz
90º
4 GHz Q
Banda Base Frecuencia Intermedia (1 GHz) RF
22. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Receptor de arquitectura
Amplificador de Bajo Ruido (LNA) Weaver modificada
RF ω1 ω2
LNA ± IF
90º 90º
23. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Estructura del Proyecto Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2 Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
24. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Características de los LNAs
• Especificaciones
• Topologías de LNAs más comunes
25. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Especificaciones
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
NF 4.5 dB
IIP3 -10 dBm
Ganancia 9 dB
Impedancia de
50 Ω
entrada
Impedancia de
50 Ω
salida
Aislamiento inverso 20 dB
Factor de estabilidad >1
26. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Topologías de LNAs
Amplificador de Bajo Ruido (LNA) más comunes
1) Configuración emisor-común
27. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
2) LNA de dos etapas
28. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador cascodo (Single-Ended)
3) LNA de Bajo Ruido (LNA)
29. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
4) LNA diferencial
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
30. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
2) LNA Balanceado (Balanced)
31. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Estructura del Proyecto Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
32. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido SiGe
● Tecnología (LNA) 0,35 µm de AMS
33. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Componentes activos Diseño de un
y pasivos
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
34. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Estructura del Proyecto Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
35. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Diseño a nivel de esquemático Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Polarización óptima de
los transistores
Configuración apropiada
del LNA
Adaptación de entrada
y de salida
Verificación y optimización
de resultados
36. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Polarización óptima
Amplificador de Bajo Ruido (LNA) de los transistores
37. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
- Simulaciones
38. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Configuración apropiada
Amplificador de Bajo Ruido (LNA) del LNA
39. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Etapas de polarización
40. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Adaptación de entrada
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
VOUT V
Zin OUT
Zin
VOUT
Zin
41. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Adaptación de salida
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
V
Zout
42. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
• Circuito asimétrico
Abril de 2004 final Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
R1=9.2 KOhms.
R2=20.2 KOhms.
R3=20.2 KOhms.
R4=50 KOhms.
C1=227 fF.
C2=1 pF.
C3=160 fF.
Lb Inductancia = 3nH; Factor de calidad (Q)=9.6
Le Inductancia = 0.6nH; Factor de calidad (Q)=13.6
L3 Inductancia = 5nH; Factor de calidad (Q)=7.6
43. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• Resultados Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
44. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Resultados (Cont.)
45. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004
• LNA Balanceado (Balanced) Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
46. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Resultados
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
47. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Resultados (Cont.)
48. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
• Estructura del Proyecto
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
49. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Diseño a nivel de layout
• Técnica del centroide común
• LNA Cascodo
• LNA Balanceado
50. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Técnica del centroide
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
común
Stress
X
Stress a través de la sección B-B
A Y
B B
A
Contorno Isobárico Stress a través de la
sección A-A
51. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Layout del centroide común
A B B A
A B
B A
B A A B
(A) (B)
52. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• LNA Cascodo
53. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Resultados
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Ganancia 16.230 dB
NF 2.875 dB
VSWR1 1.25
VSWR2 2.53
S11 -41 dB
S12 -47 dB
S21 16.230 dB
S22 -9.3 dB
IIP3 -4.373 dBm
OIP3 11.857 dBm
Consumo de 9.82 mW
potencia
Área del chip 645 μm * 736 μm
54. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• LNA Balanceado
55. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Resultados
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Ganancia 15.910 dB
NF 3.127 dB
VSWR1 1.35
VSWR2 1.93
S11 -32.81 dB
S12 -44 dB
S21 15.910 dB
S22 -14.43 dB
IIP3 -1.32 dBm
OIP3 14.59 dBm
Consumo de 19.64 mW
potencia
Área del chip 767 μm * 932 μm
56. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
• Estructura del Proyecto
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2 Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
57. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Integración en una cadena de recepción
Mezclador
Salida
BALUN LNA IF
Sintetizador
5.15 a 5.825 GHz
58. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Estructura del mixer
Mezclador diseñado por D. Roberto Díaz Ortega
M 1 R =20 KΩ
R =20 K Ω
M 3
+ + + -
+
V LO V out
V M 2
D R A IN - -
+- +
R =20 KΩ M 4
R =20 KΩ
+ V RF -
R =20 K Ω R =20 K Ω
V +
G A TE
-
59. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Layout del sistema
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
60. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Simulaciones post-layout
Parámetros LNA Mezclador Conjunto
Ganancia
15,910 43 54
(dB)
NF (dB) 3,127 45 5,93
IIP3 (dBm) -1,32 40
OIP3 (dBm) 14,59 83
Consumo
19,64 13,53 33,17
(mW)
Área (mm2) 0,714 0,605 1,07
61. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificadorde fabricación
Run de Bajo Ruido (LNA)
62. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
• Estructura del Proyecto
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2 Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
63. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo con otros trabajos (LNA asimétrico)
● Comparación Ruido (LNA)
Área OIP3/ PDC
Proceso Frec. NF Gain IIP3
sin pads PDC Vcc(V) Características
Tecnológico (GHz) (dB) (dB) (dBm) (mW)
(mm2)
2 etapas
GaAs HBT 5.7 0.5 x 0.6 2.9 16 7.3 3.0 3.5 72 Realimentación
resistiva
SiGe HBT 5.8 0.5 x 0.6 2.1 6.9 -11 0.03 1 13 2 etapas CE
0.35 μm
5.8 0.6 x 0.56 3.2 7.2 -3.7 1.2 1.3 20 2 etapas CS
CMOS
0.35 μm
5.1-5.9 0.4 x 0.53 2.8 16.3 -1.3 3.6 3.3 9.82 C.Cascodo
SiGe HBT
64. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)trabajos (LNA balanceado)
● Comparación con otros
Área OIP3/ PDC
Proceso Frec. NF Gain IIP3
sin pads PDC Vcc(V) Características
Tecnológico (GHz) (dB) (dB) (dBm) (mW)
(mm2)
0.24 μm
5.25 0.83 x 0.4 2.5 16 -1.5 0.6 3 48 Diferencial CC
CMOS
0.35 μm
5.8 1.1 x 0.94 4 5 - - 3.3 50 Diferencial CS
CMOS
0.35 μm
5.1-5.9 0.56 x 0.7 3.1 15.9 -1.3 4.42 3.3 19.64 Diferencial CC
SiGe HBT
65. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
• Conclusiones
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
- 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.
66. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
• Estructura del Proyecto
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
Introducción
Objetivos
Bloque 1 Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Bloque 2 Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Bloque 3
Presupuesto
67. Jesús Rubén Pulido Medina
Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un
Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Presupuesto
El presupuesto del presente proyecto asciende a: €