Universidad de Las Palmas de Gran Canaria · (LNA) con tecnología S35D4 para el estándar DVB‐H...

Universidad de Las Palmas de Gran CanariaUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria

Escuela Universitaria de IngenierEscuela Universitaria de Ingenieríía Ta Téécnica de Telecomunicacicnica de Telecomunicacióónn

Autor: D. JonAutor: D. Jonáás Ps Péérez Quintana rez Quintana

Tutor:Tutor:

Dr. D. Dr. D. Francisco Javier Del Pino SuFrancisco Javier Del Pino Suáárezrez

Cotutor: D. Cotutor: D. Hugo GarcHugo Garcíía Va Váázquez zquez

DiseDiseñño de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) para un receptor o de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) para un receptor basado en el Estbasado en el Estáándar DVBndar DVB‐‐HH

BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGIA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs

DISEÑO A NIVEL DE ESQUEMATICO

DISEÑO A NIVEL DE LAYOUT

MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO

Introducción al Estándar DVB‐H


El estándar DVB‐H (Digital Video Broadcasting

‐

Handheld) es una modificación del estándar DVB‐T (Digital Video Broadcasting

‐

Terrestrial).

Los cambios más destacables se enumeran a continuación:

MEJORA LA RECEPCION

BAJO CONSUMO

COMPROMISO ENTRE CALIDAD Y TAMAÑO DE LA RED

Los canales los recibe de la misma forma que llega la televisión digital terrestre.

Aporta calidades y formatos de audio y video muy superiores a lo

que estamos acostumbrados .

En Europa sustituirá

a la TV tradicional en abierto.

Para la recepción de la señal no intervienen las operadoras moviles.

Va

dirigido

no

solo

a

móviles,

sino

también

PDAS,

videoconsolas portátiles…

Los móviles para recibir la señal tendrán que ser de 2G o 3G.

Información general del estándar:



Frecuencias de trabajo UHF: 470 –

862 MHzCanales de 6, 7 y 8MHz

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/b/bb/DVB-SH_frequencies.jpg


Esquema de un receptor para DVB‐H

BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGIA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs



MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO

OBJETIVOS

Diseñar

un

amplificador

de

bajo

ruido

(LNA)

con

tecnología S35D4 para el estándar DVB‐H completamente integrado

que

cumpla

con

las

especificaciones

necesarias

para formar parte de un receptor DVB‐H.

Verificar

la

validez

de

la

tecnología

empleada

en

la

implementación de un LNA para dicho estándar.

OBJETIVOS

Características del LNA:

Ganancia de potencia (dB) 20

IIP3 (dBm) 0

Figura de ruido (dB) 2.5

Consumo (mW) Menor posible

Impedancia de entrada (Ohm) 50

Impedancia de salida (Ohm) 50

BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGIA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs



MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO

TECNOLOGÍA S35D4

Elementos pasivos

4 metales y 2 polys

Transistores MOSFET

Transistores Bipolares

Metal 1

Metal 2

Aislanted

A

RESISTENCIA

CONDENSADOR

BOBINA

TECNOLOGÍA S35D4

TECNOLOGÍA S35D4

MOSFET

BIPOLAR (HBT)

BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGIA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs



MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO

TEORIA DE LOS LNAs

VDD

V0

RL

Vi

+

-

RS

min g

Z

222211

SmSm

SmS

eb RgRgRgR

rrF

Lmi

ov Rg

vvA

Amplificador emisor común

TEORIA DE LOS LNAs

LNA para banda ancha

RFIN

VDD

M1

Carga

Redadaptación

entrada

VOUT

Adaptación de entrada de banda ancha

Carga de banda ancha

TEORIA DE LOS LNAs

Consideraciones de banda ancha


Filtros en escalera o ladder filters

R

L=R/ 0

C=1/0RZIN

TEORIA DE LOS LNAs



TEORIA DE LOS LNAs


Si trasladamos el filtro paso bajo

s

ss 0

00


TEORIA DE LOS LNAs


Carga RC

Vout

C

RR C

Vin

Vout

ZOUT

1E101E9 1E11

-35

-30

-25

-40

-20

freq, HzdB

(vou

t)

BWRC = 1/RC


TEORIA DE LOS LNAs


Series-peaking

Vout

C

R

RC

Vout

L

L

ZOUT

Vin

Mejora BWRC * 1.41

1E101E9 1E11

-50

-40

-30

-20

-60

-10

freq, Hz

dB(v

out3

)

Variamos Lseries


TEORIA DE LOS LNAs


Shunt-peaking

Mejora BWRC * 1.85

Vout

C

R

L

L

R

C

Vin Vout

ZOUT

1E101E9 1E11

-35

-30

-25

-20

-40

-15

freq, Hz

dB(v

out2

)

Variamos Lshunt


TEORIA DE LOS LNAs


Shunt-series-peaking

Vout

C

R

Lshunt

Lshunt

R

C

Vout

Lseries

Lseries

Vin

ZOUT

1E101E9 1E11

-60

-50

-40

-30

-20

-70

-10

freq, Hz

dB(v

out4

)

Variamos Lseries y Lshunt

TEORIA DE LOS LNAs

Estructura propuesta 1

Q1

LE

VIN

+

-

C

RS

LB

LC

VOUT

CB

RS

VDD

Q1

LE

VIN

+

-

C

RS

LB

LC

VOUT

Q2

CB

RS

VDD

TEORIA DE LOS LNAs

Amplificador realimentado resistivamente

VDD

V0

RL

Vi

+

-

RS

RF

F

L

Lm

F

L

LmF

L

i

ov

RRRg

RR

RgRR

vvA

11

Lm

LF

Lm

LFin Rg

RR)Rg(

RRZ

1

F

S

F

S

m

SmSm

SmS

eb

RR

RR

gRgRg

RgRrrF

22 2

1222

11

TEORIA DE LOS LNAs

RB

CA

RA

VGAIN

VIN

+

-

RS

C

VOUT

VDD

Estructura propuesta 2

Q1

LE

VIN

+

-

C

RS

LB

LC

VOUT

Q2

CB

RS

VDD

ESTRUCTURAS PROPUESTAS

Cascodo

RB

CA

RA

VGAIN

VIN

+

-

RS

C

VOUT

VDD

Cascodo

realimentado

TEORIA DE LOS LNAs

BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGÍA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs



MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO


Q1

LE

VIN

+

-

C

RS

LB

LC

VOUT

Q2

CB

RS

VDD

ESTRUCTURA PROPUESTA 1: CASCODO


Los pasos que vamos a seguir para el diseño de este circuito son los siguientes:

Configuración de la polarización del LNA.

Adaptación de entrada y de salida.

Verificación y optimización de resultados.


Mínima figura de ruido frente a la

corriente de polarización.


Q1

LE

VIN

+

-

C

RS

LB

LC

VOUT

Q2

CB

RS

VDD


LB

= 39,8 nHHigh-pass

Cπ

= 7,96 pF

LE

= 8,84 nHLow-pass

CB

= 3,53 pF


SEGUNDO DISEÑO: CASCODO REALIMETADO

RF

CF

RL

VGAIN

VDD

VIN+

-

C

RS

VOUT


Mínima figura de ruido frente a la

corriente de polarización.


ererRR

RZFBIAS

FOUT

''

1

erR

RRZL

LFIN

'

F

L

L

RRer

R

Av

1

'

F

S

F

S

m

SmSm

SmS

EB

RR

RR

gRgRg

RgRRRF

22 2

1222

11

50 Ω

RF

CF

RL

VGAIN

VDD

VIN+

-

C

RS

VOUT


F

L

L

RRer

R

Av

1

'F

S

F

S

m

SmSm

SmS

EB

RR

RR

gRgRg

RgRRRF

22 2

1222

11

RF


ererRR

RZFBIAS

FOUT

''

1

erR

RRZL

LFIN

'


RF

CF

RL

VGAIN

VDD

VIN+

-

C

RS

VOUT

LB


RL

= 300 Ω

Valor de los componentes

RF

= 600 Ω

RBIAS

= 300 Ω


IIP3= ‐4

(dBm)

OIP3=14

(dBm)


RF

CF

RL

VGAIN

VDD

VIN+

-

C

RS

VOUT

LB


VGAIN

1 V

3 V

Frecuencia de trabajo (MHz) De 470 a 862

Consumo (mW) 14

Ganancia de potencia (dB) 19 max

‐

∆

10

Figura de ruido (dB) 1.7

IIP3 (dBm) ‐4

OIP3 (dBm) 14

Impedancia de entrada (Ω) 50

Impedancia de salida (Ω) 50


BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGÍA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs



MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO


S G S

S

G

G

S

G

G

RFIN

VBIAS

RFOUT

VGAIN VCC

LB

RL

RFCF

Q1,

Q2


400 500 600 700 800 900

11,011,512,012,513,013,514,014,515,015,516,016,517,017,518,018,5

G

anan

(dB)

Freq (MHz)

Esquematico Typical case Worst case


400 500 600 700 800 900

-21,2-21,1-21,0-20,9-20,8-20,7-20,6-20,5-20,4-20,3-20,2-20,1-20,0-19,9-19,8-19,7-19,6-19,5

S

12 (d

B)

Freq (MHz)

Esquemático Typical case Worst case


400 500 600 700 800 900

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

Fi

gura

NF

(dB)

Freq (MHz)

Esquematico Typical case Worst case


400M 500M 600M 700M 800M 900M-13,0

-12,5

-12,0

-11,5

-11,0

-10,5

-10,0

-9,5

-9,0

dB

Frecuencia

S22 S11

400M 500M 600M 700M 800M 900M

-14,0

-13,5

-13,0

-12,5

-12,0

-11,5

-11,0

-10,5

-10,0

-9,5

-9,0

-8,5

-8,0

-7,5

dB

Frecuencia

S22 S11

400M 500M 600M 700M 800M 900M

-14,0

-13,5

-13,0

-12,5

-12,0

-11,5

-11,0

-10,5

-10,0

-9,5

-9,0

-8,5

-8,0

-7,5

dB

Frecuencia

S22 S11

Esquemático

Typical

case

Worst

Case

BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGÍA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs



MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO

MEDIDAS DEL DISEÑO

MEDIDAS DEL DISEÑO

Set‐up

parámetros S

GND

GND

IN LNA

PRO

BEG

SG

PROBE

GSG

RF WIRE

VNA

RF WIRE

GND

GND

OUT

DC-BLOCKS

POWER SUPPLY

DC WIRES

PROBE SGS

VGain VCCGND

BIAS-T

MEDIDAS DEL DISEÑO

Parámetros S en frecuencias de 250 MHz

hasta 3 GHz

500 1000 1500 2000 2500 3000

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Para

met

ros

S (d

B)

Freq (MHz)

S11 S21 S12 S22

MEDIDAS DEL DISEÑO

Parámetros S en frecuencias de 450 MHz

hasta 900 MHz

450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Par

amet

ros

S (d

B)

Freq (MHz)

S11 S21 S12 S22

MEDIDAS DEL DISEÑO

Ganancia en frecuencias hasta 3 GHz

variando VGain

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Gai

n

Freq (MHz)

vgain1 vgain1.5 vgain2 vgain2.5 vgain3

MEDIDAS DEL DISEÑO

Ganancia en la frecuencia de trabajo variando VGain

450 500 550 600 650 700 750 800 850 900-10

-5

0

5

10

15

20

G

ain

(dB

)

Freq (MHz)

vgain1 vgain1.5 vgain2 vgain2.5 vgain3

MEDIDAS DEL DISEÑOSet‐up medida del ruido


LNA

Bias-T Cablecorto

Cablelargo


Cablelargo

Cablelargo

Atenuación=0.64dB

Bias-T Cablecorto

Cablelargo

Cablelargo

Atenuación=1.51dB

Bias-T Cablecorto

Atenuación=0.87dB


0 500 1000 1500 2000 2500 3000

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

NF

(dB

)

Freq (MHz)

NFmed NFcorr


450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

NF

(dB

)

Freq (MHz)

NFmed NFcorr

MEDIDAS DEL DISEÑO

Set‐up

medida de la linealidad

ANALIZADOR DE ESPECTROS

FUENTE DE ALIMENTACION

PUNTA SGS

CABLE DC

VCCVGAIN GND

GND

GND

IN

GNDGN

DO

UTLNA

PUN

TAG

SG

PUNTA

GSG

DC-

BLO

CK

BIAS-T

GENERADOR DE SEÑALCA

BLE

RF

CABLE RF

CABLES RF

CABLES RF

VGAIN=1.5 a 3 VVCC = 3.3 V

GENERADOR DE SEÑAL

MIN

I-CI

RCU

ITS

SPLI

TTER

ZFSC

J-2-4

50-1

000

MH

zCA

BLE

RF

666 MHz

666.1 MHz

MEDIDAS DEL DISEÑOSet‐up medida de la linealidad

MEDIDAS DEL DISEÑOMedida de la linealidad

MEDIDAS DEL DISEÑO

-30 -20 -10 0 10-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

P

out (

dBm

)

Pin (dBm)

Poutfund Poutint

IIP3= 6

(dBm)

OIP3= 20

(dBm)

Medida de la linealidad

BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGÍA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs



MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO

CONCLUSIONES

LNA

Simulaciones

post‐layout

LNA

Medidas

S21

(dB) 18,2 15

NF (dB) 1,9 2,7

Consumo (mW) 14 11,25

Frec. De medida (MHz) 470-862 470-862

IIP3 (dBm) -5 6

ITOTAL

(mA) 4,2 3,4

Vcc (V) 3,3 3,3

CONCLUSIONES

LNA IUMA Andreas

Kämpe

Patrick

Antoine

Youchun

Liao

Tecnología SiGe CMOS SiGe CMOS

Vdd (V) 3,3 3,3 2,8 2,5

Consumo (mW) 11,25 36 47,6 30Frec. De medida

(MHz)470-862 470-862 470-862 50-860

Ganancia de potencia(dB)

15 26 14 13,4

IIP3 (dBm) 6 4,5 12 3,3

NF (dB) 2,7 4,1 8 3,5

Referencia Este

proyecto

[22] [21] [23]

CONCLUSIONESPublicaciones en congresos internacionales:

•“A SiGe Front‐End for a portable DVB‐H Receiver”

en el XXII Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (Sevilla 2007)

•“A BiCMOS Chipset for a DVB‐H front‐end receiver”

en el XXIII Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (Grenoble 2008)

BLOQUE 1:

BLOQUE 2:

BLOQUE 3:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

TECNOLOGÍA S35D4

TEORIA DE LOS LNAs



MEDIDAS DEL DISEÑO

CONCLUSIONES

PRESUPUESTO

PRESUPUESTO

Descripción Gastos

Costes de recursos humanos 209,15€

Costes de ingeniería 32.256€

Costes de amortización 237,8€

Costes de medida 1099,23€

Costes de fabricación 450€

Otros costes 151,00€

PRESUPUESTO FINAL 34.403,18€

TOTAL (IGIC 5%) 36.123,77€

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Tutor:Tutor:

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Cotutor: D. Cotutor: D. Hugo GarcHugo Garcíía Va Váázquez zquez

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