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Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS
- 1. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Escuela Universitaria de Ingenieros Técnicos de Telecomunicación Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Tutor : D. Francisco Javier del Pino Suárez Autor : D. Juan Rafael Barrios Bermúdez
- 2. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis Presupuesto Conclusiones y Trabajos Futuros Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 3. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis Presupuesto Conclusiones y Trabajos Futuros Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 4. ÍNDICE Introducción – Sistema de Posicionamiento Global (GPS) – Receptor GPS – Amplificador de Bajo Ruido (LNA) – Tecnologías de Fabricación de Circuitos Integrados Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 5. ÍNDICE Introducción Sistema de Posicionamiento Global (GPS) – Receptor GPS – Amplificador de Bajo Ruido (LNA) – Tecnologías de Fabricación de Circuitos Integrados Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 6. Sistema de Pocicionamiento Global (GPS) Función del GPS – Información al usuario del receptor: • Latitud • Longitud • Altura • Velocidad Constelación GPS • 24 satélites • Cobertura continua Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 7. Sistema de Pocicionamiento Global (GPS) Señal de GPS Ruido térmico Código de Adquisición (Uso Civil) Señal L1 ∼20dB Código de Precisión (T=290ºK) (Uso Militar) GPS código C/A Señal GPS Señal L2 Código de Precisión GPS código P (Uso Militar) 2MHz 20MHz 1.57542GHz Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 8. ÍNDICE Introducción – Sistema de Posicionamiento Global (GPS) Receptor GPS – Amplificador de Bajo Ruido (LNA) – Tecnologías de Fabricación de Circuitos Integrados Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 9. Receptor GPS Esquema General de Bloques Antena E/S RF IF Serie Procesado Cabezal RF A/D digital Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 10. Receptor GPS Arquitecturas Típicas – Receptor Heterodino Muy selectivo • Ventajas Rechazo frecuencia FILTRO LNA FILTRO IF FILTRO IF AMP Selec. IF imagen Banda • Desventajas Gran número de componentes LO1 LO2 – Receptor Homodino Pocos componentes • Ventajas FILTRO FILTRO LNA PASO Selec. Banda BAJO • Desventajas Poco selectivo wO Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 11. ÍNDICE Introducción – Sistema de Posicionamiento Global (GPS) – Receptor GPS Amplificador de Bajo Ruido (LNA) – Tecnologías de Fabricación de Circuitos Integrados Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 12. Amplificador de Bajo Ruido Características – Función principal • Amplificar la señal de entrada del receptor – Condiciones • Introducir el menor ruido posible • Proporcionar la suficiente linealidad Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 13. ÍNDICE Introducción – Sistema de Posicionamiento Global (GPS) – Receptor GPS – Amplificador de Bajo Ruido (LNA) Tecnologías de Fabricación de Circuitos Integrados Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 14. Tecnologías de fabricación de C.I Bipolar BICMOS – Frecuencia elevadas – Ventajas bipolar y CMOS – Atractiva para RF – Aplicaciones a altas frecuencias – Alto consumo – Sustrato de alta resitividad – Bajo integración – Elevado coste de fabricación CMOS GaAs – Baja ganancia – Muy rápido con consumos moderados – Bajo consumo – Aplicaciones a muy altas frecuencias – Alto nivel de integración – Proceso de fabricación caro – Baja calidad de elementos pasivos – Aplicación digital SiGe – Alta ganancia en corriente – Bajo ruido – Frecuencia de corte elevada Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 15. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis Presupuesto Conclusiones y Trabajos Futuros Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 16. ÍNDICE Introducción Objetivos Creación – Estudio Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis Presupuesto Conclusiones y Trabajos Futuros Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 17. Objetivos Creación Amplificador de Bajo Ruido para Receptor GPS Especificaciones de diseño Frecuencia de Trabajo 1.575 GHz Ganancia 15 dB Figura de Ruido 2.5 dB Producto de Intermodulación de 3º -20 dBm Orden (IP3) Impedancia de Entrada y Salida 50Ω Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 18. ÍNDICE Introducción Objetivos – Creación Estudio Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis Presupuesto Conclusiones y Trabajos Futuros Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 19. Objetivos Estudio Diseño analógico en RF Herramientas de simulación analógica Spectre de CADENCE Herramientas de diseño Virtuoso de CADENCE Técnicas de diseño Simetría Trazado de pistas Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 20. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA – Conceptos Básicos – Arquitecturas Típicas Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 21. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA Conceptos Básicos – Arquitecturas Típicas Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 22. Conceptos Básicos Ruido en Circuitos Integrados – Interferencia aleatoria no relacionada con la señal de interés Ruido Externo Ruido Interno Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 23. Conceptos Básicos Ruido en circuitos integrados – Tipos de Ruido • Ruido Térmico η = 4 ⋅ K ⋅ T ⋅ ∆f • Ruido Flicker Ia Si (t ) = K1 ⋅ • Rido Shot fb – Fuentes de Ruido • Ruido Térmico en Resistencias Integradas η = 4 ⋅ K ⋅ T ⋅ R ⋅ ∆f • Ruido Térmico en transistores MOS η = 4 ⋅ K ⋅T ⋅γ ⋅ gd 0 • Elementos reactivos: Condensadores, Bobinas Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 24. Conceptos Básicos Ruido en circuitos integrados – Factor de ruido Pno Pno Psi (s n )salida Pni Cuadripolo G Pno F = = ⋅ Pni ⋅ G Pni ⋅ G Psi = (s n ) entrada – Figura de Ruido NF = 20 ⋅ log( F ) – Figura de ruido en etapas en cascada • Ecuación de FRISS NF2 − 1 NF3 − 1 NFn + 1 NFtotal = NF1 + + + ... + G1 G1 ⋅ G2 G1 ⋅ ... ⋅ Gn −1 Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 25. Conceptos Básicos Producto de Intermodulación de 3º Orden (IP3) – Parámetro de medida de la linealidad del circuito Atenuación (dB) Componentes Productos de fundamentales intermodulación de (dB) segundo orden Productos de intermodulación de tercer orden OIP3 IP3 f 2 − f1 2 f1 − f 2 f1 f 2 2 f 2 − f1 f1 + f 2 IIP3 (dB) Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 26. Conceptos Básicos Adaptación de impedancias en circuitos integrados – ¿Por qué es necesario? • Máxima transferencia de potencia a la carga Z0 Z g = Z0 Sección Adaptadora zL Z0 Ze = Z0 • Por convenio adaptación de impedancias a 50Ω Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 27. Conceptos Básicos Parámetros S – ¿Para qué se utiliza? • Medida de los distintos parámetros de un circuito S21 Ganancia de potencia en directa S12 Ganancia de potencia en inversa (nivel de aislamiento) S11 Impedancia de entrada Z L − Z 0 VSWR − 1 VSWR ΓL = = S22 Impedancia de salida Z L + Z 0 VSWR + 1 Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 28. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA – Conceptos Básicos Arquitecturas Típicas Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 29. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA – Conceptos Básicos Arquitecturas Típicas – Amplificador Sintonizado y Amplificador de Banda Ancha – Arquitectura simple y Arquitectura Diferencial – Etapa Cascodo – Redes de Adaptación de Impedancias Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 30. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA – Conceptos Básicos – Arquitecturas Típicas Amplificador Sintonizado y Amplificador de Banda Ancha – Arquitectura simple y Arquitectura Diferencial – Etapa Cascodo – Redes de Adaptación de Impedancias Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 31. Arquitecturas Típicas Amplificador de Banda Ancha y Amplificador sintonizado Características Similar Amplificador Operacional – Amplificador Banda Ancha Amplificación señales de distinta frecuencia Amplificación señal de determinada frecuencia – Amplificador Sintonizado Bajo Consumo de potencia Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 32. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA – Conceptos Básicos – Arquitecturas Típicas – Amplificador Sintonizado y Amplificador de Banda Ancha Arquitectura simple y Arquitectura Diferencial – Etapa Cascodo – Redes de Adaptación de Impedancias Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 33. Arquitecturas Tìpicas Arquitectura Simple y Arquitectura Diferencial Esquemático Etapa Simple Etapa Diferencial RL R R Vo Vo Rs Vin V1 V2 I I Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 34. Arquitecturas Tìpicas Arquitectura Simple y Arquitectura Diferencial Características Etapa Simple Ruido Térmico RL Vn 2out = 4 ⋅ K ⋅ T ⋅ γ ⋅ g m ⋅ ∆f ⋅ R 2 L Vout Rs Consumo Vin I AV = gm ⋅ R L Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 35. Arquitecturas Tìpicas Arquitectura Simple y Arquitectura Diferencial Características V(t) V1 = + n(t) 2 Etapa Diferencial Rechazo al ruido V(t) = V1 + V2 - V(t) V2 = + n(t) 2 Vout = A v ⋅ (V1 − V2 ) = A v ⋅ V(t) R Vout R Ruido Térmico Vn 2out = 8 ⋅ K ⋅ T ⋅ γ ⋅ g m ⋅ ∆f ⋅ R 2 V1 V2 Consumo AV = gm ⋅ R L 2I Acoplamiento directo entre etapas Integrabilidad Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 36. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA – Conceptos Básicos – Arquitecturas Típicas – Amplificador Sintonizado y Amplificador de Banda Ancha – Arquitectura simple y Arquitectura Diferencial Etapa Cascodo – Adaptación de Impedancias Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 37. Arquitecturas Típicas Etapa Cascodo Vcc ZL V0 Rs V in Ventajas – Mejora la respuesta en frecuencia del amplificador ( ancho de banda de amplificación) – Mejora nivel de aislamiento entre la salida y la entrada del amplificador Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 38. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA – Conceptos Básicos – Arquitecturas Típicas – Amplificador Sintonizado y Amplificador de Banda Ancha – Arquitectura simple y Arquitectura Diferencial – Etapa Cascodo Adaptación de Impedancias Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 39. Arquitecturas Típicas Adaptación de Impedancias Redes de Adaptación de la impedancia de entrada Adaptación Resistiva Etapa Puerta-Común Degeneración Inductiva Z in Z in Z in Lg Rm Rm Ls Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 40. Arquitecturas Típicas Adaptación de Impedancias Adaptación de la impedancia de salida Etapa Seguidor de Fuente Etapa Fuente-Común R L Vo Vin L Vo Vin Vin Vo Rm I I I Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 41. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis Presupuesto Conclusiones y Trabajos Futuros Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 42. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis Diseño con Componentes Ideales – Diseño con Componentes Reales – Layout Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 43. Diseño Seleccionado y Análisis Diseño con Componentes Ideales Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 44. Diseño Seleccionado y Análisis Simulación con Compomentes Ideales Ganancia= 24 dB Figura de Ruido (NF)= 1.9dB Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 45. Diseño Seleccionado y Análisis Simulación con Compomentes Ideales VSWR1= 1.4 IP3= -20.34 dBm VSWR2= 1.3 Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 46. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis – Diseño con Componentes Ideales Diseño con Componentes Reales – Layout Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 47. Diseño Seleccionado y Análisis Diseño con Componentes Reales Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 48. Diseño Seleccionado y Análisis Simulación con Compomentes Reales Ganancia= 9.9 dB Figura de Ruido (NF)= 5.6 dB Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 49. Diseño Seleccionado y Análisis Simulación con Compomentes Reales VSWR1= 1.4 IP3= -16.75 dBm VSWR2= 1.3 Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 50. ÍNDICE Introducción Objetivos Diseño de un LNA Diseño Seleccionado y Análisis – Diseño con Componentes Ideales – Diseño con Componentes Reales Layout – Layout – Resultados simulación Post-Layout Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 51. Diseño Seleccionado y Análisis Layout Final Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 52. Diseño Seleccionado y Análisis Resultados Simulación Post-layout Ganancia= 9.7 dB Figura de Ruido (NF)= 6 dB Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 53. Diseño Seleccionado y Análisis Simulación Post- Layout VSWR1= 1.4 IP3= -16.58 dBm VSWR2= 1.3 Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 54. Presupuesto Logotipos Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez
- 55. Arquitecturas Típicas Conclusiones y Trabajos Futuros Imposibilidad de alcanzar las especificaciones marcadas Mala calidad bobinas utilizadas en el diseño Importancia de la calidad de las bobinas en circuitos de RF Utilización en el diseño de bobinas de mejor calidad Utilización de diferente tecnología de fabricación y arquitectura Diseño del resto de componentes del cabezal de RF Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido para un Receptor GPS Juan R. Barrios Bermúdez