Diseño de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 μm

Diseño de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en

tecnología CMOS 0.18 µmT I T ULACIÓN: GR A DO EN I N GEN IER ÍA EN T ECN OLOGÍAS DE LA T ELECOM UN IC ACIÓN

AUTOR : SERGI O M AT EOS A N GULO

T U TO R E S : DR . D. FRA NCI SCO JAVI ER DEL P I NO SUÁ REZ

DR . D. SUN I L LA LCHAND K HEM CHAN DANI

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oDiseño de los circuitoso Amplificador de bajo ruido (LNA)

oMezclador

o Amplificador de transimpedancia (TIA)

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones

oPresupuesto

DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 2

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oMezclador

oConclusiones

oPresupuesto

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Introducción

Redes de sensoresDemanda: Dispositivos de bajo coste y larga vida útil

Propósito: Monitorizar condiciones físicas

Ventajas: Despliegue rápido sin necesidad de largas longitudes de cable, alta flexibilidad

Introducción

I/QGen.

Cabezal derecepción

Sintetizador de frecuencias

Filtro polifásico

RF2,4 GHz

BandaBase

I/QGen.

Filtro polifásico

Introducción

RF2,4 GHz

BandaBase

Introducción

Heterodino simple

Ventajas: Simple, bajo consumo, área reducida, etc.

Desventajas: Frecuencia imagen, compromiso entre sensibilidad y selectividad, mitad IF

Introducción

Superheterodino

Ventajas: Mejora el compromiso entre sensibilidad y selectividad, repartición de la ganancia

Desventajas: Mayor consumo y mayor complejidad

Introducción

Homodino o conversión directa

Homodino para sistemas digitales

Introducción

Receptor Cero-IF

Ventajas: Simplicidad, evita el problema de frecuencia imagen, menor coste en área

Desventajas: DC offset, fugas del LO, asimetría I/Q, distorsión de 2º orden, ruido flicker

Introducción

Receptor Low-IF

Ventajas: Simple, se eliminan los problemas de DC offset y ruido flicker

Desventajas: Frecuencia imagen

Introducción

Low-IF

Filtro polifásico

Introducción

Cabezal de recepción diseñado Low-IF

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oMezclador

oConclusiones

oPresupuesto

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Objetivos

Obtener un cabezal de recepción basado en la arquitectura low-IF para el estándar IEEE 802.15.4 en la banda de 2,4 GHz usando la tecnología CMOS 0.18 μm

Cabezal de bajo consumo, bajo ruido y alta linealidad

Advanced Design System (Keysight)

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oMezclador

oConclusiones

oPresupuesto

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Amplificador de bajo ruido (LNA)

Función: Amplificar y adaptar la señal de RF entrante introduciendo el menor ruido posible

Adaptación a 50Ω

Figura de ruido (Noise Figure)

Ganancia

Linealidad

CcRFin

Inductancia Ls

Figura de ruido

CcRFin

1+ L+Ls·=Z

gsext C+C=C

CcRFin

Amplificador de bajo ruido (LNA)Proceso de diseño: método de adaptación conjunta para mínimo ruido y máxima transferencia de potencia.

Dimensionar transistores manteniendo una densidad de corriente para mínimo ruido

Paso 1: Diseño del LNA con bobinas ideales

Paso 2: Sustituir bobinas ideales por bobinas de la propia tecnología UMC de 0.18 µm

CcRFin

Cex [pF] Ganancia [dB] NF [dB]

0.5 16.811 3.673

0.4 18.233 3.185

0.3 19.378 2.903

0.25 19.712 2.854

0.2 19.819 2.872

CcRFin

Inductancia (nH)

Ls 0.5

Ld 2.7

Fingers Ancho (µm)

Longitud (µm)

Ancho total (µm)

M1 21 5 0.18 105

M2 21 5 0.18 105

CcRFin

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oMezclador

oConclusiones

oPresupuesto

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Función: encargado trasladar la señal entrante de RF a la frecuencia intermedia deseada

Frecuencia RF 2.4 GHz

Frecuencia IF 2.5 MHz

Frecuencia LO 2.3975 GHz

Frecuencia IF = Frecuencia RF ± Frecuencia LO

Mezclador

Dos tipos en función de los elementos que lo forman:Activos

Pasivos

Tres tipos en función de las componentes espectrales que aparecen a la salida:Doblemente balanceado: si ωOL y ωRF no aparecen a la salida

Simplemente balanceado: si ωOL o ωRF aparece a la

No balanceado: Si ωOL y ωRF aparecen a la de salida

Mezclador

CcRFin

Mezclador

Mezclador en cuadratura

dos mezcladores con la entrada del LO desfasadas 90°

CcRFin

MezcladorMezcla de señales mediante conmutación de transistores

Transistores CMOS son buenos conmutadores

CcRFin

Mezclador

Relación de compromiso entre el ruido del mezclador y la ganancia del LNA.

Capacidad de transistores

Inductancia Ld

CcRFin

Mezclador

Tamaño de los transistores

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oMezclador

oConclusiones

oPresupuesto

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Amplificador de transimpedancia (TIA)Función: Amplificar una señal de corriente a la entrada y proporcionar una señal de tensión a la salida

Compensa la falta de ganancia del mezclador

Un amplificador para fase y otro para cuadratura

CcRFin

Amplificador de transimpedancia (TIA)

CcRFin

Amplificador de transimpedancia (TIA)TIA basado en inversores

M1PM2P

M1N M2N

SW1 SW2

CcRFin

Amplificador de transimpedancia (TIA)Resistencia efectiva

CcRFin

Filtro paso alto

Se eliminan tensiones DC

Ganancia:

Transconductancia:

·RR g+g-1

21MPMN

V+V·L

WK=g TGSm

CcRFin

Transistores UMC 0.18 µm en modo mixto

Ancho (µm) Longitud (µm)

M1P 4.48 0.48

M2P 2.24 0.48

M1N 2.48 0.68

M2N 1.24 0.68

SW1 0.24 0.18

SW2 0.24 0.18

CcRFin

Condensadores de desacoplo

Resistencia MΩ

R2 1.1

Resistencia efectiva 11

CcRFin

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oMezclador

oConclusiones

oPresupuesto

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Receptor completo y simulaciones

Filtro polifásico

Gm12 + -

Receptor completo y simulacionesTransconductor de Nauta

In+ Out- In-Out+

In+ Out-

In- Out+

Vdd Vdd' Vdd Vdd'

Inv3 Inv5Inv4 Inv6

Adaptación de entrada

Filtro polifásico

NF y ganancia para toda la banda

Filtro polifásico

NF para un canal

Filtro polifásico

Respuesta en frecuencia

Filtro polifásico

Ganancia

LNA [dB]

Ganancia

TIA [dB]

Ganancia

Rx [dB]

4 1 5 43

18 1 19 28

4 24 28 25

18 24 42 10.3

Modos de ganancia

Filtro polifásico

NF máxima admisible

Filtro polifásico

Linealidad

Filtro polifásico

Consumo de potencia

4.302mWA1.8V·2.39m=PLNA

0.084mWA1.4V·60=PTIA

1.12mW1.4V·0.8mA=Pfiltro

5.5mW1.12mW0.084mW4.302mW=Ptotal

Filtro polifásico

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oMezclador

oConclusiones

oPresupuesto

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Conclusiones

Objetivo: Obtener un cabezal de recepción basado en la arquitectura low-IF para el estándar IEEE 802.15.4 en 2,4 GHz usando la tecnología CMOS 0.18 μm. Cabezal de bajo consumo, bajo ruido y alta linealidad

Conclusiones

Parámetros Especificaciones Resultados

Consumo de potencia [mW] El menor posible 5.5

Ganancia del receptor [dB]>30 (FE)

[-20,65] (BB)42 (FE)

Variación de ganancia [dB] 65 (FE + BB) 37 (FE)

NF [dB] <15.5 10.3

Rechazo imagen [dBc] >20 28

IIP3 [dBm]>-32 para máxima ganancia>-10 para ganancia mínima

-5 para máxima ganancia--

Sensibilidad [dB] -85 -85

Conclusiones

Referencia

(LNA+MIX+TIA+

(LNA+MIX)

(LNA+MIX+PGA)

Este trabajo

(LNA+MIX+TIA)

Tecnología

CMOS [μm]0.18 0.18 0.18 0.18

Ganancia [dB] 86 30 - 42

NF [dB] 8.5 7.3 <10 10.3

IIP3 [dB] -8 -8 >-15 -5

Consumo de

potencia [mW]12.63 6.3 10.8 5.5

Conclusiones

Líneas futuras

Diseño de bloque de banda base

Diseño del transmisor

Diseño del sintetizador de frecuencias

Creación del layout

Simulaciones post-layout

Fabricación y mediciones

I/QGen.

Filtro polifásico

Conclusiones

Líneas futuras

I/QGen.

Filtro polifásico

Conclusiones

Líneas futuras

I/QGen.

Filtro polifásico

Conclusiones

Líneas futuras

I/QGen.

Filtro polifásico

Conclusiones

Líneas futuras

I/QGen.

Filtro polifásico

Índice

oIntroducción

oObjetivos

oMezclador

oConclusiones

oPresupuesto

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

Presupuesto

Costes Total (euros)

Tiempo tarifado por trabajo empleado 10.440,00

Costes de equipos informáticos y herramientassoftware

174,78

Material fungible 60,00

Costes de redacción 747,23

Derechos de visado del COITT 64,05

Coste de tramitación y envío 6,01

Subtotal 11.492,07

I.G.I.C. (7%) 804,44

TOTAL 12.296,51

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Engineering

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