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Diseño, medida y verificación de un mezclador en CMOS 0.35 m para un receptor basado en el estándar IEEE 802.11a.
Titulación: Ingeniería Electrónica
Autor: Roberto Díaz Ortega
Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez
Fecha: Octubre 2006
Sunil Lalchand Khemchandani
Introducción
Etapa de Transmisión ADC Procesado Digital de Señal Etapa de Recepción
Procesado Digital
Índice
BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares Estándar IEEE 802.11a
BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo Tipos dede receptores Proceso diseño del mezclador pasivo
BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional Estudio de mezcladores Medida del mezclador Proceso de los diseño del amplificador
BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador Tecnología utilizada Rediseñodel delamplificador mezclador Medida
BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto Medida y verificación del circuito Rediseño del amplificador
Medida y verificación del circuito
Estándar IEEE 802.11a Este estándar se define para redes inalámbricas en la banda de 5GHz Para reducir errores se definen diferentes tasas de transferencia pudiendo llegar a una tasa máxima de 54 Mbps
Canalización 40 mW 5.15G
800 mW
52 subportadoras de 300 KHz cada una
200 mW
5.25G
5.35G
5.725G
5.825G
20MHz
Especificaciones del estándar IEEE 802.11a La impedancia de la antena tanto en transmisión como en recepción debe ser 50 Ohmios Tipo 1 0 ºC a 40 ºC
Rango de temperatura de funcionamiento
Tipo 2 -20 ºC a 50 ºC Tipo 3 -30 ºC a 70 ºC
5.15-5.25 (GHz) -> 40mW
Potencia de transmisión
5.25-5.35 (GHz) -> 200mW 5.25-5.35 (GHz) -> 800mW
Variación máxima de frecuencia en la salida de 20 ppm Sensibilidad mínima de -82 dBm para una tasa de 6 Mbits/s Figura de ruido máxima en recepción de 14 dB
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares Características de los sistemas de RF Estándar IEEE 802.11a Tipos de receptores Estudio de los mezcladores Tecnología utilizada
BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Conversión directa I LNA
90º 5 GHz
Ventajas
Q Inconvenientes
No hay problemas con la frecuencia imagen
ADC un poco más costoso de implementar
Reducido número de componentes
Aparición de error de constelación
Evita problemas con el ruido Flicker
Implementación del sintetizador
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares Estándar IEEE 802.11a Tipos de receptores Estudio de los mezcladores Tecnología utilizada
BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Mezclador de Frecuencias El mezclador tiene como función el trasladar la señal presente en su entrada a un rango de frecuencias diferente, sin modificar las características de la señal VRF
VIF
VLO
VLO
Los mezcladores se clasifican según su rango de trabajo en:
Up-conversion Down-Conversion
Parámetros del mezclador
VRF
VIF
Ganancia de conversión Figura de ruido
VLO
Punto de intercepción de tercer orden Rango Dinámico.- Diferencia entre valores mínimos y máximos que se pueden aplicar al circuito.
Aislamiento.- Representa la cantidad de señal que se acopla en los distintos puertos del sistema.
Sistemas no lineales como mezcladores Algunos mezcladores realizan el mezclado basándose en no-linealidades que presenta el circuito.
V1(t)
Sistema Temporalmente Variante
I2(t) V2(t)
i 2 (t) a v1 (t) b [v1 (t)] 2 v1 (t ) VRF cos( RF t ) VLO cos( LO t )
2bVRFVLO cos( RF t )·cos( LO t ) bVRFVLO cos( LO wRF )t cos( LO wRF )t
Mezcladores basados en multiplicadores Los mezcladores basados en multiplicadores presentan un mayor rendimiento con respecto a los basados en no-linealidades. Etapa Salida Vcc
RC
RC VOut
Q1
Q2
Q3
Q4
VLO
Q5
RX
Q6
VRF
Etapa Entrada I EE
I EE
Mezclador pasivo CMOS I D1
2 Vy Vx 1 Vx .C OX 1 VGS VT 1 . 2 2 2 2
I D2
2 Vy Vx 1 Vx C OX 2 VGSR VT 2 . 2 2 2 2
R
M1
+
M3
+
Vx
M2
M1
-
Vout +
+
M4
+
M3 R
Vx +
Vy
-
M2
I D3
2 Vy Vx 1 Vx .C OX 3 VGS VT 3 . 2 2 2 2
+
I D4
-
2 Vy Vx 1 Vx .C OX 4 VGS VT 4 . ou t 2 2 2 2 +
V
+
M4
Tensión de salida
Vout Vo Vo R.I D1 I D 2 I D 3 I D 4
Corriente en los MOSFETs + V2y V I D .C OX .VGS VT .V DS DS 2
V Vout R..C OX . x 2
Vy Vy RV y V y VT 2 VT 3 VT 4 . VT 1 2 2 2 2
Vout R. .V x .V y K m R.
Vout K m .V x .V y
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares Estándar IEEE 802.11a Tipos de receptores Estudio de los mezcladores Tecnología utilizada
BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Tecnología S35D4 de AMS
4 metales y 2 polys
Thick Metal Elementos pasivos Transistores Bipolares Transistores MOSFET
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo Proceso de diseño del mezclador pasivo Medida del mezclador Rediseño del mezclador Medida y verificación del circuito
BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Flujo de diseño de circuitos integrados Especificaciones Especificaciones del delcircuito circuito
Diseño Diseñodel del circuito circuito
Detección Detecciónde de errores errores
Medida Medida del delprototipo prototipo
NO
Funciona Funciona SI
Mezclador pasivo implementado
Adaptación LO
Polarización LO Adaptación LO Polarización RF
Adaptación RF
Adaptación RF
Diseño del mezclador pasivo Polarización del puente
Dimensionado del puente
Adaptación de impedancias
Simulaciones de Esquemático
Realización del Layout
Simulaciones Post-Layout
Comparar Resultados
Layout del mezclador pasivo
Parámetro
Simulación
Ganancia (dB)
-13
VSWR RF
1,25
VSWR LO
1,32
NF SSB (dB)
24,2
NF DSB (dB)
21,5
IIP3 (dBm)
20(aprox.)
OIP3 (dBm)
7 (aprox.)
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo Proceso de diseño del mezclador pasivo Medida del mezclador Rediseño del mezclador Medida y verificación del circuito
BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Medida del mezclador pasivo FUENTE DE ALIMENTACION
VNA EN MODO CW CABLE DC GENERADOR DE SEÑAL
VCC (3.3 V)
PUNTA GSG
GND
GND
VCC
GND
RF+ -3 dB
MIXER
OL-
RF-
-3 dB
GND
ANAREN 3 dB COUPLER 180º
PUNTA SGS
OUT-
GND
OUT+
PUNTA SGS DC-BLOCK
OPEN
CABLE RF
ANALIZADOR DE ESPECTROS
CABLES RF PUNTA SGS
OL+
DC-BLOCK
CABLES RF
DC-BLOCK
CABLE RF
CABLE RF
-3 dB
-3 dB
ANAREN 3 dB COUPLER 180º
Medida de las pérdidas de conversión Pérdidas para una IF de 20 MHz
Pérdidas para una IF de 50 MHz
Frec LO (MHz)
Frec RF (MHz)
Potencia Salida (FI=20 MHz) (dBm)
Pérdida de conversión (dB)
Frec LO (MHz)
Frec RF (MHz)
Potencia Salida (FI=50 MHz) (dBm)
Pérdida de conversión (dB)
5160
5180
-53,5
33,5
5130
5180
-51
31
5180
5200
-53,5
33,5
5150
5200
-51
31
5200
5220
-53,5
33,5
5170
5220
-51
31
5220
5240
-53,5
33,5
5190
5240
-51
31
5240
5260
-53,5
33,5
5210
5260
-51
31
5260
5280
-53,5
33,5
5230
5280
-51
31
5280
5300
-53,5
33,5
5250
5300
-51
31
5300
5320
-53,5
33,5
5270
5320
-51
31
5725
5745
-53,5
33,5
5695
5745
-51
31
5745
5765
-53,5
33,5
5715
5765
-51
31
5765
5785
-53,5
33,5
5735
5785
-51
31
5785
5805
-53,5
33,5
5755
5805
-51
31
Medida del aislamiento Aislamiento entre RF e IF Frec OL (MHz)
Frec RF (MHz)
Potencia Salida RF (dBm)
Aislamiento RF/IF (dB)
5130
5180
-42,5
22,5
5150
5200
-42
22
5170
5220
-41
21
5190
5240
-41,4
21,4
5210
5260
-43
23
5230
5280
-42,3
22,3
5250
5300
-40,1
20,1
5270
5320
-41
5695
5745
5715
Aislamiento entre LO e IF Frec OL (MHz)
Frec RF (MHz)
Potencia Salida OL (dBm)
Aislamiento RF/IF (dB)
5130
5180
-20,9
20,9
5150
5200
-21,2
21,2
5170
5220
-21,7
21,7
5190
5240
-21,5
21,5
5210
5260
-21,5
21,5
5230
5280
-21,5
21,5
5250
5300
-21,2
21,2
21
5270
5320
-21,3
21,3
-38,8
18,8
5695
5745
-21,3
21,3
5765
-38,1
18,1
5715
5765
-21,6
21,6
5735
5785
-38,5
18,5
5735
5785
-20,8
20,8
5755
5805
-38
18
5755
5805
-21,2
21,2
Medida del aislamiento (cont.) Aislamiento entre RF y LO FUENTE DE ALIMENTACION
Frec OL (MHz) ANALIZADOR DE ESPECTROS
Potencia Salida OL (dBm) CABLE DC
5130
DC
-24
5170
-26,3
26,3
5190
-24,7
24,7
24
5270
RF+ GND
-23
RF-
5250
23
MIXER -25
-24,8
OUT-
GND
22,5
25 24,8
OUT+
5695
-20,4
20,4
5715
-21,3
21,3
5735
-19,3
5755
PUNTA SGS -18,9 OPEN
Salida 19,3 18,9
DC-BLOCK
GND
OL-
PUNTA SGS
-3 dB
5230
VCC
-22,5
CABLES RF PUNTA SGS
-3 dB
GND
GND
RF
22,5
OL+
DC-BLOCK
-22,5
PUNTA GSG
5150
CABLES RF 5210 ANAREN 3 dB COUPLER 180º
GENERADOR DE SEÑAL
VCC (3.3 V)
CABLE RF
CABLE RF
Aislamiento OL/RF (dB)
-3 dB
-3 dB
ANAREN 3 dB COUPLER 180º
LO
Medida de la adaptación de impedancias VNA
2,0 1,9 1,8
VSWR OL
1,7
Adaptación de la entrada de LO
1,6 1,5 FUENTE DE ALIMENTACION
1,4 1,3 1,2 CABLE DC
1,1
PUNTA GSG
5,2G
5,4G
5,6G
5,8G
DC
6,0G
Frecuencia (Hz)
CABLE RF
2,0
CABLE RF
PUNTA SGS
GND
MIXER
1,6 RF-
VSWR RF
-3 dB
1,7
1,5
OUT-
GND
OUT+
1,3 1,2 1,1 PUNTA SGS
5,2G
-3 dB
ANAREN 3 dB COUPLER 180º
LO
1,4
1,0 5,0G
-3 dB
OL-
Adaptación de la entrada de RFRF
-3 dB
CABLES RF
GND
ANAREN 3 dB COUPLER 180º
GND
PUNTA SGS
1,8
VCC
RF+
GND
OL+
DC-BLOCK
1,9 CABLES RF
DC-BLOCK
1,0 5,0G
VCC (3.3 V)
5,4G
OPEN
5,6G
Frecuencia (Hz)
Salida 5,8G
6,0G
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo Proceso de diseño del mezclador pasivo Medida del mezclador Rediseño del mezclador Medida y verificación del circuito
BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Detección de errores Vcc M5
M6
Vcc
+
Vss
-
VLO
M5
M2
Zm ixer
Vcc
RT7
RT8 Vss
cc
50
RT7
M4
M6 +
R1=50
VLO
VM7 ss -
+
Vss
RT6
Vcc
M1
RT1
RT3
VLO
Vss
VRF
+
M3
RT2
-
Zmixer
RT6
RT4
Vcc
+ V Zvd=
RF
R2=50
Vcc
50
RT2
-
-
R1=50
VLO
RT5
Vss
Zvd Vss
Vss
RT3
-
Zvd=
+
RT8
Vss
VRT6
Vcc
M3
RT5
M8
Zmixer RT1
RT5
Vcc
Vcc
M7
Vcc
M1
R2=50 Vcc
M2
RT5
Zmixer
50
50 RT6
Zvd
Después de quitar de tensión dependiente deVtensión yVss RT4 la fuente ss M4 M8 simular se obtienen valores similares a los medidos Vss
Parámetro + VRF Ganancia (dB)
R1=50
VSWR RF
Simulación + VRF -30,26 R2=50 1,44
R1=50
Medida -33,5 1,3
R2=50
VSWR LO Vcc NF SSB (dB)
2,21
1,1
30,72
No medida
NF DSB (dB)
27,65
No medida
IIP3 (dBm)
8 (aprox.)
No medida
OIP3 (dBm)
-21 (aprox.)
No medida
Vcc
Polarización del puente VGATE=0V
-20
VGATE=0,2V
-30
-20 95
-40
90
VGATE=2,6V VGATE=3,2V
-30 85
-60
Para polarizar el puente se ha tomado Una tensión de Puerta de 0,6V y una tensión de Drenador de 0V VGATE=0V
VVGATE=0V =0,2V GATE
VVGATE=0,2V =0,6V GATE
VV =0,8V V =0,6V GATE GATE =1,4V GATE
-70
80
-80
75
-90
70
VGATE=1,4V
VGATE=2V
-40
Ganancia (dB)(dB) figura de Ruido
Ganancia (dB)
VGATE=1,4V VGATE=2V
-50
-100 -110 -0.5
VGATE=0,6V
0.0
0.5
1.0
VGATE=2V
V
=2,6V
V
=3,2V
GATE VGATE =2,6V GATE VGATE =3,2V
-50
65 60
-60 2.0
1.5
55
2.5
3.0
3.5
Parámetro
Simulación
Ganancia (dB)
-21,43
NF SSB (dB)
17,32
NF DSB (dB)
14,28
VDrain (V)
95 90
50 -70 45 40 -80
VGATE=0V
35
85
VGATE=0,2V VGATE=0,8V
-90 30
80
VGATE=1,4V VGATE=2V
figura de Ruido (dB)
75
VGATE=2,6V
25
70 65
VGATE=3,2V
-100 20
60 55
15
50
-110
45
-0.5
40 35 30
0.0
-0.5
25
0.5
0.0
0.5
20 15 -0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
VDRAIN (V)
2.0
2.5
3.0
3.5
1.0
1.5
1.0 V 1.5(V) DRAIN
VDrain (V)
IIP3 (dBm) 2.0
2.0
2.5
3.0
3.5
2.5
3.0
3.5
OIP3 (dBm)
15 (aprox.) -8 (aprox.)
Dimensionado de los transistores La longitud de puerta se establece a 0.35 m porque se trabaja con señales de alta frecuencia Ganancia (dB) Figura de Ruido (dB) IIP3 (dBm) 20
Con una W de 100 m se obtienen los mejores resultados
0
-20
-40
0
20
40
60
80
100
Anchura del transistor (um)
120
140
160
Simulaciones a nivel de esquemático
Simulaciones finales de la etapa de mezclado Parámetros
Tipical Mean
Worst Speed
Worst Power
Ganancia (dB)
-21,8
-19,4
-38,53
VSWR RF
3,26
3,26
3,26
VSWR LO
3,66
4,67
2,84
NF SSB (dB)
18,34
19,43
23,14
NF SSB (dB)
15,45
16,65
20,25
IIP3 (dBm)
25 (aprox.)
20 (aprox.)
20 (aprox.)
OIP3 (dBm)
4 (aprox.)
1 (aprox.)
-18 (aprox.)
Layout del mezclador
Simulaciones Post-layout
Simulaciones finales de la etapa de mezclado Parámetros
Tipical Mean
Worst Speed
Worst Power
Ganancia (dB)
-22,1
-20,9
-39,01
VSWR RF
3,10
3,10
3,10
VSWR LO
3,38
4,92
2,52
NF SSB (dB)
19,13
20,65
24,14
NF DSB (dB)
16,45
17,43
21,32
IIP3 (dBm)
18 (aprox.)
15 (aprox.)
15 (aprox.)
OIP3 (dBm)
-2 (aprox.)
-5 (aprox.)
-24 (aprox.)
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo Proceso de diseño del mezclador pasivo Medida del mezclador Rediseño del mezclador Medida y verificación del circuito
BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Medida del mezclador pasivo FUENTE DE ALIMENTACION
DC
VNA EN MODO CW VCC (0.8 V) CABLE DC
VCC (0 V) CABLE DC GENERADOR DE SEÑAL
P UNTA SGS
VGATE
VDRAIN GND RF+
MIXER
OL-
RF-
-3 dB
GND
-3 dB
GND
ANAREN 3 dB COUPLER 180º
PUNTA SGS
RF
CABLES RF PUNTA SGS
OL+
DC-BLOCK
CABLES RF
OUT-
GND
Salida DC-BLOCK
OPEN
CABLE RF
ANALIZADOR DE ESP ECTROS
-3 dB
-3 dB
ANAREN 3 dB COUPLER 180º
LO
OUT+
P UNT A SGS
DC-BLOCK
CABLE RF
CABLE RF
Medida de las pérdidas de conversión Pérdidas para una IF de 50 MHz
Pérdidas para una IF de 20 MHz
Frec OL (MHz)
Frec RF (MHz)
Potencia Salida (IF=50 MHz) (dBm)
Pérdida de conversión (dB)
Frec OL (MHz)
Frec RF (MHz)
Potencia Salida (IF=20 MHz) (dBm)
Pérdida de conversión (dB)
5130
5180
-41.9
-21,9
5160
5180
-49,7
-29,7
5150
5200
-42.3
-22,3
5180
5200
-47,1
-27,1
5170
5220
-42.2
-22,2
5200
5220
-47,9
-27,9
5190
5240
-41-6
-21,6
5220
5240
-48,0
-28
5210
5260
-42.9
-22,9
5240
5260
-49,8
-29,8
5230
5280
-42.2
-22,2
5260
5280
-48,8
-28,8
5250
5300
-42.3
-22,3
5280
5300
-47,1
-27,1
5270
5320
-41.5
-21,5
5300
5320
-48,1
-28,1
5695
5745
-43.4
-23,4
5725
5745
-47,6
-27,6
5715
5765
-44.2
-24,2
5745
5765
-46,3
-26,3
5735
5785
-45.2
-25,2
5765
5785
-46,7
-26,7
5755
5805
-45.8
-25,8
5785
5805
-47,7
-27,7
Medida del aislamiento
Frec OL (MHz)
Frec RF (MHz)
Aislamiento RF/IF (dB)
Aislamiento LO/IF (dB)
Aislamiento RF/LO (dB)
5130
5180
20,7
12,5
9,6
5150
5200
20,6
12,3
10.,9
5170
5220
20,8
12,5
11,1
5190
5240
21,1
11,3
10,1
5210
5260
20,5
11,1
9,7
5230
5280
19,6
12,7
9,9
5250
5300
20,4
10,7
10,0
5270
5320
22,1
9,5
9,6
5695
5745
18,6
12,3
9,4
5715
5765
18,1
14,3
12,1
5735
5785
19,4
11,4
9,6
5755
5805
18,6
11,9
9
Medida de la adaptación de impedancias Adaptación de RF
Adaptación de LO
Medida de la linealidad Para medir la linealidad se emplea el punto de compresión a 1 dB 0
Respuesta Real Respuesta Ideal
-5
Potencia de salida (dBm)
-10
El punto de compresión a 1 dB esta relacionado con el IIP3 como:
-15 -20 -25 -30
IIP3=P1dB + 9,56
-35 -40 -45
El IIP3 medido es de 15,5 dBm
-50 -55 -60 -30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Potencia de entrada (dBm)
15
20
25
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional Proceso de diseño del amplificador Medida del amplificador Rediseño del amplificador Medida y verificación del circuito
BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Amplificador operacional Vdd
Vdd
Vdd
M5
M6
Vdd
Vdd
M14
M16 VB IAS
CMFB R1 Vdd
M3
M1
VB IAS 2
Vdd
M15
M4
VBIAS
M12
M13
M9
M10
M17
M2 VCM1
M8
M11 VREF
VCM2 VBIAS2 M7
Diseño del amplificador operacional Circuito CMFB
Etapa entrada
Etapa salida
Simulaciones de Esquemático
Realización del Layout
Simulaciones Post-Layout
Comparar Resultados
Layout del amplificador
Parámetros
Simulación
Ganancia (dB)
40,5
Ancho de Banda (MHz)
25
Frec. de corte (MHz)
300
Margen de fase ( º )
39,01
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional Proceso de diseño del amplificador Medida del amplificador Rediseño del amplificador Medida y verificación del circuito
BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Medida del amplificador operacional FUENTE DE ALIMENTACION
Vcc OSCILOSCOPIO
CABLE DC VCC (3.3 V)
CABLE DC VCM (2 V) GENERADOR DE FUNCIONES
PUNT A GS G
R2
R1
C1
OUT+
Vcc
OUT-
C2 GND
VCC
-Vcc
IN -
GND
PUNTA SG S
R4
AMP. OP.
O UT-
TR3
Vin
TR1
TR2 PUNTA S GS
Conversor Asim./Dif.
GND O UT+ GND
IN +
R3
TR4
R5 -Vcc
L1
L2
Vcm
Medida del amplificador operacional (Cont)
Medida del amplificador operacional (Cont) 45 40 35
Ganancia (dB)
30 25 20 15 10 5 0 -5 1
10
100
1000
10000
100000
1000000
1E7
100000
1000000
1E7
Frecuencia (Hz)
20 0 -20
Desfase (º)
-40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 1
10
100
1000
10000
Frecuencia (Hz)
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional Proceso de diseño del amplificador Medida del amplificador Rediseño del amplificador Medida y verificación del circuito
BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Detección de errores R2 50
m1
40
3.3V
Adaptación de Señales
IN+
20
OUT+
12 pF
R3
dB(out1)
Vin
30
Vdd
R1
m1 freq=730.0kHz dB(out1)=37.243
10
0
OUT-
IN-
-10
Vcm
-20
R4
-30
-40 1
1E1
1E2
1E3
1E4
1E5
1E6
1E7
1E8
3E8
freq, Hz
0
Vin
Vin
m2 freq=730.0kHz phase(out1)=-48.64 deg
-20
m2
-40
1M
12 pF
Zin=
phase(out1), deg
-60
-80
-100
-120
-140
Entrada del osciloscopio
Entrada de la fuente de tensión dependiente de tensión
-160
-180 1
1E1
1E2
1E3
1E4
freq, Hz
1E5
1E6
1E7
1E8
3E8
Etapa de entrada del amplificador Vdd
Vdd
Vdd
VDSAT=VGS-VT 0.8V
M5
M6 VBIAS
R1
ID M3
M1
VBIAS2
0.6V
n .COX W 2
.
L
VGS VT 2
M4
M2
0.3V
Transistor
Tensión (VGS)
W (m)
L (m)
M1
0.8
2
0.6
M2
0.8
90
0.6
M3 – M4
1.1
14,5
2
M5 – M6
1.4
4.55
1
Circuito CMFB Vdd
Vdd
Vdd
Vdd
El circuito de CMFB M12 (Common mode feedback) se encarga de corregir desajustes del modo común
Vdd
Vdd
VBIAS
M12
M13
M8
VCM1
Muestreo M9 Nivel Modo Común
VBIAS M13
M11
M10
VREF
VCM2 Vdd
M8
M10VBIAS2 M11
M9
Vdd
VCM1
M7
VREF VCM2
Muestreo Nivel Modo Común
+
VBIAS2 M7
+
-
Vref
Amplificador totalmente diferencial Amplificador totalmente diferencial
Circuito CMFB
Transistor
Tensión (VGS)
Vref W (m)
L (m)
M7
0.8
8,55
0.6
M8-M9
1.2
1,15
1
1.2
1,15
1
1.4
0,85
1
M10 – M11 M12 – M13
-
Circuito CMFB
Etapa de salida La etapa de salida del amplificador debe presentar un buen rango dinámico así como un ancho de banda suficiente para no interferir en la señal de salida de la etapa anterior. Vdd
VIN
M15
VOUT
VB IAS 3 = 1V
M14
El proceso de dimensionado se ha hecho de igual forma que en los casos anteriores Transistor
Tensión (VGS)
W (m)
L (m)
M14
1
5
0.35
M15
1
20
0.35
Simulaciones a nivel de esquemático
Parámetros
Lazo abierto
Lazo cerrado, 2K
Ganancia (dB)
24,63
12,50
Ancho de Banda (MHz)
8,5
59,8
Frec. de corte (MHz)
87,7
117,6
Margen de fase ( º )
40
29,41
Consumo (mW)
7,85
10,89
Layout del amplificador
Simulaciones post-layout
Parámetros
Lazo abierto
Lazo cerrado R=2K
Ganancia (dB)
24,76
11,90
Ancho de Banda (MHz)
6,3
45,20
Frec. de corte (MHz)
70,8
92,50
Margen de fase ( º )
39,01
30
Consumo (mW)
8,45
3,50
Índice BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional Proceso de diseño del amplificador Medida del amplificador Rediseño del amplificador Medida y verificación del circuito
BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Medida del amplificador operacional 22
Ganancia (dB)
21
20
19
18
17
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
1E7
Frecuencia (Hz) 0
-20
Desfase (º)
-40
-60
-80
-100
-120 1
10
100
1000
10000
Frecuencia (Hz)
100000
1000000
1E7
Índice
BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Unión del mezclador y el amplificador
Parámetros
Tipical Mean
Worst Speed
Worst Power
Ganancia (dB)
12,23
11,48
6,77
VSWR RF
3,26
3.26
3,26
VSWR LO
3,66
4,67
2,84
NF SSB (dB)
35,49
33,88
42,08
NF DSB (dB)
32,47
30,85
39,07
IIP3 (dBm)
45(aprox.)
43(aprox.)
40(aprox.)
OIP3 (dBm)
57(aprox.)
54(aprox.)
47(aprox.)
Índice
BLOQUE I: Estudios teóricos preliminares BLOQUE II: Diseño del mezclador pasivo BLOQUE III: Diseño del amplificador operacional BLOQUE IV: Integración del mezclador y el amplificador BLOQUE V: Conclusiones y presupuesto
Comparativa A continuación se muestra una comparativa del mezclador pasivo desarrollado con otros trabajos similares
Mezclador
IUMA
Juan Melendez
Yuan-Kai Chu
Tecnología
SiGe 0.35 um
CMOS 0.35 um
CMOS 0,18 um
Vdd (V)
3,3
3,3
1,8
Consumo (mW)
0,2
0,3
10,8
Frec. RF (GHz)
5,5
1,575
5,5
Frec. IF (MHz)
30
3
280
Ganancia (dB)
-22
-30.5
-4,5
IIP3 (dBm)
16,5
19,7
8,56
NF (dB)
19,3
33,3
14,6
Año
2006
2001
2004
Comparativa (cont) A continuación se muestra una comparativa del mezclador pasivo con la etapa de amplificación con otros trabajos similares Mezclador
IUMA
Chakraborty
Yo-Sheng Lin
Tecnología
SiGe 0,35 um
SiGe 0,24 um
SiGe 0,35 um
Vdd (V)
3,3
3,1
3
Consumo (mW)
10,6
32
15,6
Frec. RF (GHz)
5,5
5,5
3
Frec. IF (MHz)
20
20
300
Ganancia (dB)
12,2
9,23
7,3
IIP3 (dBm)
45
6
0.5
NF (dB)
35,4
19,5
18
Año
2006
2002
2005
Conclusiones A lo largo del proyecto se ha llevado a cabo el flujo de diseño completo de un circuito integrado de radiofrecuencia. Este proyecto se encuentra dentro de una línea de investigación más amplia y puede tener continuidad en trabajos como: * Integración en la cadena de recepción completa * Desarrollo de mezcladores para etapas de transmisión * Desarrollo del VCO y el PLL
Presupuesto A continuación se muestra el coste total del proyecto desglosado en sus diferentes partes. Descripción
Gastos
Costes de recursos humanos
209,15€
Costes de ingeniería
32.256€ 237,8€
Costes de amortización
591,28€
Costes de fabricación Costes de medida
1921€ 151,00€
Otros costes PRESUPUESTO FINAL
35.366,23€
TOTAL (IGIC 5%)
37.134,54€
Diseño, medida y verificación de un mezclador en CMOS 0.35 m para un receptor basado en el estándar IEEE 802.11a.
Titulación: Ingeniería Electrónica
Autor: Roberto Díaz Ortega
Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez
Fecha: Octubre 2006
Sunil Lalchand Khemchandani