Este documento presenta el diseño de un amplificador de baja ganancia (LNA) de ultra ancha banda tipo cascodo doblado en tecnología CMOS 0.18 μm. El documento describe la arquitectura del LNA cascodo doblado y los requisitos de diseño, la tecnología CMOS utilizada, la simulación del LNA cascodo doblado y otros LNAs comparativos, y las conclusiones obtenidas. El objetivo es diseñar un LNA que cumpla los requisitos del estándar IEEE 802.15.3a para sistem
Diseño de un Mezclador para Televisión Digital Vía Satélite DVB-SH basado en ...
Diseño de un LNA de ultra ancha banda tipo cascodo doblado en CMOS 0.18 μm
1. PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA
TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm
Autor: Sergio Rosino Rincón
Tutores: Francisco Javier Del Pino
Sunil Lalchand Khemchandani
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 1/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA
Escuela de Ingeniería de Telecomunicación y Electrónica
2. ÍNDICE
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 2/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
• INTRODUCCIÓN
• DISEÑO
• TECNOLOGÍA
• SIMULACIÓN DE LOS LNAs
• IMPLEMENTACIÓN DE LOS LNAs
• CONCLUSIONES
3. • INTRODUCCIÓN
– Mercado de las Comunicaciones Inalámbricas
– Estándar IEEE 802.15.3a
• DISEÑO
• TECNOLOGÍA
• SIMULACIÓN DE LOS LNAs
• IMPLEMENTACIÓN DE LOS LNAs
• CONCLUSIONES
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 3/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
4. Movilidad frente a la tasa binaria en redes inalámbricas
Actualmente:
• Las tecnologías inalámbricas tienen muchos usos prácticos
• El mercado demanda tecnologías WPAN más veloces => UWB
Mercado de las Comunicaciones Inalámbricas
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DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 4/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
5. Características del Tx-Rx para UWB (MBOA)
Banda de Trabajo 3.1-10.6 GHz
Sub Bandas 528 MHz
Tipo de Modulación QPSK-OFDM 128
Tasa Binaria 53.3-480 Mb/s
Transmisor-receptor para UWB
Estándar IEEE 802.15.3a
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6. Receptor para UWB
Estándar IEEE 802.15.3a
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Requisitos del LNA
Adaptación de Entrada S11 < -10 dB
Adaptación de Salida S22 < -10 dB
Ganancia ↑S21
Figura de Ruido NF < 4 dB
7. ÍNDICE
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
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• INTRODUCCIÓN
• DISEÑO
– Arquitecturas de los LNAs
– LNA Cascodo de Banda Estrecha
– LNA Cascodo de Banda Ancha
– LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
• TECNOLOGÍA
• SIMULACIÓN DE LOS LNAs
• IMPLEMENTACIÓN DE LOS LNAs
• CONCLUSIONES
8. AMPLIFICADOR CASCODO:
Amplificador Cascodo Doblado
Amplificador Cascodo
+Buena respuesta en alta frecuencia
+Alto nivel de aislamiento
-Estrechamiento del margen dinámico de salida
+Buena respuesta en alta frecuencia
+Alto nivel de aislamiento
-Área del circuito
REQUSITOS
1. Canalizar ISeñal de M1 hacia M2
2. Minimizar el efecto Miller (CGC-M1)
AMPLIFICADOR CASCODO DOBLADO:
Arquitecturas de los LNAs
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9. DEGENERACIÓN INDUCTIVA
+Mínima figura de ruido
+Máxima transferencia de potencia
-Área del circuito
Red de Adaptación de Entrada
Amplificador Cascodo de Banda Estrecha
Impedancia de Entrada
Frecuencia de Interés
Factor de Ruido
LNA Cascodo de Banda Estrecha
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10. +Bajo nivel de ruido
-Área del circuito
TANQUE LC
Amplificador Cascodo de Banda Estrecha
Red de Carga
Frecuencia de Interés
Impedancia de Carga
LNA Cascodo de Banda Estrecha
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DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 10/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
+Mínima figura de ruido
+Máxima transferencia de potencia
-Área del circuito
DEGENERACIÓN INDUCTIVA
11. ETAPA SEGUIDORA DE FUENTE
+Buena respuesta en frecuencia
Amplificador Cascodo de Banda Estrecha
+Bajo nivel de ruido
-Área del circuito
TANQUE LC
Espejo de Corriente
LNA Cascodo de Banda Estrecha
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DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 11/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
+Mínima figura de ruido
+Máxima transferencia de potencia
-Área del circuito
DEGENERACIÓN INDUCTIVA
12. Amplificador Cascodo de Banda Ancha
Factor de Ruido
DEGENERACIÓN INDUCTIVA
+Mínima figura de ruido
+Máxima transferencia de potencia
-Área del circuito
ETAPA SEGUIDORA DE FUENTE
+Buena respuesta en frecuencia
Impedancia de Entrada Ideal
LNA Cascodo de Banda Ancha
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13. Ancho de Banda Relativo
Red de Adaptación de Entrada
•FILTRO RC PASO BAJO 2º
•FILTRO RC PASO ALTO 2º
Amplificador Cascodo de Banda Ancha
FILTRO LC DE 4º
LNA Cascodo de Banda Ancha
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DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 13/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
Banda de Interés
+Área pequeña
+Bajo nivel de ruido
- Existe un conflicto de diseño con Cgs y LS
14. Amplificador Cascodo de Banda Ancha
Red de Carga
Banda de Interés
Impedancia de Carga
Respuesta en frecuencia
SHUNT-PEAKING
+Buen Ancho de Banda(1.85BWRC)
-Área del Circuito
+Área pequeña
+Bajo nivel de ruido
- Existe un conflicto de diseño con Cgs y LS
FILTRO LC DE 4º
LNA Cascodo de Banda Ancha
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15. Amplificador Cascodo Doblado de Banda Ancha
REQUISITOS
2. Reducir el efecto Miller
1. Canalizar ISeñal de M1 hacia M2
LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
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DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 15/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
16. SHUNT-PEAKING
+Buen ancho de banda(1.85BWRC)
-Área del circuito
+Área pequeña
+Bajo nivel de ruido
- Existe un conflicto de diseño con Cgs y LS
FILTRO LC DE 4º
ETAPA SEGUIDORA DE FUENTE
+Buena respuesta en frecuencia
LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 16/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
Amplificador Cascodo Doblado de Banda Ancha
17. ÍNDICE
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
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• INTRODUCCIÓN
• DISEÑO
• TECNOLOGÍA
– Tecnología UMC 0.18 µm CMOS
• SIMULACIÓN DE LOS LNAs
• IMPLEMENTACIÓN DE LOS LNAs
• CONCLUSIONES
18. Pad
Transistor CMOS Condensador
Bobina Resistencia
Componente Parámetros Rango Componente Parámetros Rango
Condensador
Ancho y Largo 10-60 µm
Bobina
Nº de Espiras 1.5-5.5
Capacidad 0.1-4.92 pF Diámetro 126-238 µm
Resistencia
Ancho y Largo 2-20 µm Inducción 0.56-12.6 nH
Resistencia 0.13-12 KΩ Transistor Nº de Fingers 5:1:21
Pad Índice 1-5 Pad Ancho y Largo 65-XX µm
Tecnología UMC 0.18 µm CMOS
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19. ÍNDICE
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 19/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
• INTRODUCCIÓN
• DISEÑO
• TECNOLOGÍA
• SIMULACIÓN DE LOS LNAs
– LNA Cascodo de Banda Estrecha
– LNA Cascodo de Banda Ancha
– LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
– LNAs Cascodo vs Cascodo Doblado
• IMPLEMENTACIÓN DE LOS LNAs
• CONCLUSIONES
20. NF(VBias1) a 10.4GHz Rn(WM1) a 10.4 GHz
LNA Cascodo de Banda Estrecha
LNA Cascodo de Banda Estrecha
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DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 20/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
Máxima transferencia de potencia y NFMIN:
1. Polarizar y dimensionar el transistor M1 para NFMIN
2. Aplicar degeneración inductiva
21. S11 ( f )
S11(LS) a 10.4 GHz LNA Cascodo de Banda Estrecha
NF( f ) para LS (0:0.2:1) nH
LNA Cascodo de Banda Estrecha
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DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 21/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
22. LNA Cascodo de Banda Estrecha
S22 ( f )
S11 ( f )
NF ( f )
LNA Cascodo de Banda Estrecha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 22/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
23. LNA Cascodo de Banda Ancha
S11( f ) para CAUX(0:0.25:1) pF
LNA Cascodo de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 23/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
NF( f ) para CAUX(0:0.25:1) pF
24. LNA Cascodo de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 24/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
S21 ( f ) NF ( f )
S11 ( f ) S22 ( f )
25. NF ( f ) para LT1(2.5:0.5:3.5) nH
LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
S21( f ) para CC(0.3:0.1:0.9) pF
LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 25/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
26. LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 26/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
S21 ( f ) NF ( f )
S11 ( f ) S22 ( f )
27. LNAs Cascodo vs Cascodo Doblado
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 27/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
S21 ( f ) NF ( f )
S11 ( f ) S22 ( f )
28. ÍNDICE
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 28/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
• INTRODUCIÓN
• DISEÑO
• TECNOLOGÍA
• SIMULACIÓN DE LOS LNAs
• IMPLEMENTACIÓN DE LOS LNAs
– Layout del LNA Cascodo de Banda Ancha
– Layout del LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
– Valores de los Componentes de los LNAs
• CONCLUSIONES
29. Layout LNA Cascodo Transistores
Buffer de Salida
Layout del LNA Cascodo de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 29/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
30. Layout del LNA Cascodo de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 30/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
S21 ( f ) NF ( f )
S11 ( f ) S22 ( f )
31. Buffer de Salida
Layout LNA Cascodo Doblado Transistores
Layout del LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 31/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
32. Layout del LNA Cascodo Doblado de Banda Ancha
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 32/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
S11 ( f ) S22 ( f )
S21 ( f ) NF ( f )
33. Cambiar tabla estandar
LNA C. LNA C.D. LNA C. LNA C.D.
L1 1.774 nH 2.0749 nH CIN 2.01 pF 1.75 pF
C1 0 F 0 F COUT 2.921 pF 1.75 nH
WM1 170 µm 170 µm WM2 80 µm 80 µm
WM3 60 µm 60 µm VBias1 0.8 V 0.8 V
VBias2 2.6 V 1.1 V VBias3 0.6 V 0.6 V
CAUX 500 fF 265 fF LS 567.94 pH 567.94 pH
IBias1 9.163 mA 9.207 mA IBias2 9.163 mA 9.516 mA
IBuffer 16.03 mA 15.94 mA Vdd 3.6 V 1.8 V
RL 59 Ω 45 Ω LL 1.862 nH 2.124 nH
CBuffer 2.9797 pF 2.4999 pF CC --------- 0.6 V
LT1 --------- 3.49947 nH LT2 --------- 2.9085 nH
Consumo 32.99 mW 33.70 mW Área del Chip 0.734 µm2 0.817 µm2
Valores de los Componentes de los LNAs
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 33/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
34. ÍNDICE
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
DISEÑO DE UN LNA DE ULTRA BANDA ANCHA TIPO CASCODO DOBLADO EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 µm 34/37 SERGIO ROSINO RINCÓN
• INTRODUCIÓN
• DISEÑO
• TECNOLOGÍA
• SIMULACIÓN DE LOS LNAs
• IMPLEMENTACIÓN DE LOS LNAs
• CONCLUSIONES
– Logros
– Continuación
35. • A falta de las medidas, los diseños planteados están a la altura de diseños
similares propuestos por el resto de la comunidad científica
• Se ha comparado ambos LNAs demostrando que pese a trabajar con
diferentes Vdd las prestaciones de estas son muy similares
• No se ha podido obtener un LNA que cumpla con las restricciones de ruido
del receptor para UWB propuesto
REFERENCIA S11 [dB] S22 [dB] S21 [dB] NF [dB] B [GHz] IIP3 P [mW] Área [µm2]
Cascodo < - 9.9 < - 10 6.1-9.05 4.6-8.3 3.1~10.6 9.8 32.99 0.738
Cascodo D. < - 10 < - 12 5.5-8.4 4.5-7.3 3.1~10.6 10 33.70 0,817
[22] < - 9.5 N/A 4.7-13.2 4.5-7.6 3.1~10.6 1.4 23 1.421
[23] < - 6.7 N/A 8.5-10.5 5.3-6.3 3.1~10.6 12 29.1 0.82
[24] < - 8.6 < - 8 7.4-11.9 5-5.6 3.1~10.6 13 9.4 0.92
[25] < - 9.7 < - 8.4 10-11 4-5.2 3.1~10.6 0.72 22.7 0.447
[13] < - 9.9 < - 9.3 4.2-9.3 4-9.8 2.3~9.2 -6.7 9 N/A
[14] < - 8 < - 9 6.5-8.1 4.3-6.1 0.6~22 N/A 52 1.935
Logros
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
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36. Eliminar CAUX
Adaptar el valor de LS
Bonding Wire Inductor
Red de Adaptación de Entrada Chebyshev 6º
Trabajar en el Modo 2 de UWB
Modos de Trabajo para UWB
Continuación
INTRODUCCIÓN DISEÑO TECNOLOGÍA SIMULACIÓN IMPLEMENTACIÓN CONCLUSIONES
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37. GRACIAS POR SU ATENCIÓN
¿Preguntas?
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