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Presentación TFG - Guillermo Ojeda

R
RFIC-IUMA

El documento describe el diseño de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 utilizando tecnología CMOS de 65 nm, enfocado en aplicaciones de baja potencia y área reducida. Se detallan componentes clave como amplificadores de bajo ruido (LNA) y mezcladores, además de diversas estructuras de recepción. La investigación respalda la implementación para mejorar la flexibilidad y eficiencia en redes de sensores y aplicaciones de automatización.

Ingeniería
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DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 nm T ITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN AUTOR: GUILLERMO OJEDA RODRÍGUEZ TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PI NO SUÁREZ D. MARIO SA N MIGUEL MONTESDEOCA
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 2 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 3 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Introducción • Demanda: Dispositivos de bajo coste y larga vida útil • Propósito: Monitorizar condiciones físicas del entorno • Ventajas: Alta flexibilidad y velocidad de despliegue 4 ZigBee Aplicaciones Automatización de edificios Salud Control industrial Automatizacion del hogar Telecomunicaciones Otros Medicion automatizada · Monitorización de pacientes · Control del estado físico · Rastreo de equipos · Control de procesos · Gestión energética · Seguridad · Ventilación · Control de iluminación · Control de acceso · Irragación automática · Comunicaciones con periféricos · Puntos de venta · Servicios de red alternativos · Medición inteligente · Control de consumo · Seguridad · Ventilación · Control de iluminación · Control de acceso · Control de clima · Predicción de terremotos ➢Redes de sensores DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Introducción 5 802.15.4 802.15.3 WPAN Satellite RFID Bluetooth LR-WPAN WLAN W-MAN WMAN 1 Mbps 10 Mbps 100 Mbps 802.11g 802.11a HiperLan 802.11b1G 2G 2.5G 3G 4G WiFi 802.16 UWB Data rate PowerConsumption Cost/Complexity €€€€ € WiMedia WiMax ➢Redes de sensores DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 6 Application Framework (AF) Application Support Sublayer (APS) Network Layer (NWK) Medium Access Control Layer (MAC) Physical Layer (PHY) Especified by IEEE 802.15.4 Zigbee Platform Zigbee Applications ➢ZigBee
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 7 Region Europe America China Japan Worldwide Frequency band [MHz] 868-868.6 902-928 779-787 950-956 2400-2483.5 No. of channels 1 10 8 22 16 Channel Bandwidth [MHz] 0.6 2 1 0.6/0.4/0.2 5 Bit rate [kbps] 20 40 250 20/20/100 250 Modulation scheme BPSK BPSK O-QPSK MPSK BPSK BPSK GFSK O-QPSK ➢Capa física del estándar IEEE 802.15.4
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 8 LNA RF 2.4 GHz IIF QIF I/Q Gen. VCO Mixer Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda Mixer Filtro paso bajo Filtro paso bajo Mixer PA PGA PGA IIF QIF PLL Rx Cabezal de recepción Tx Sintetizador de frecuencias ➢Cabezal de recepción
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 9 LNA Mezclador Filtro A·cos(wOL·t) RF IF 0 0-wRF -wLO -wRF-wLO w w Entrada 0 0-wRF -wLO -wRF-wLO w w Entrada Salida ➢Estructuras de recepción • Heterodino simple ➢Simple, bajo consumo, área reducida ➢Frecuencia imagen, compromiso entre sensibilidad y selectividad
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 10 LNA Mezclador Filtro Selección Canal 1 wOL1 RF IF Mezclador Filtro Selección Canal 2 wOL2 Filtro Selección Banda Filtro Rechazo Imagen Amplificador IF ➢Estructuras de recepción • Superheterodino ➢Mejora el compromiso entre sensibilidad y selectividad ➢Mayor consumo, área y complejidad
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 11 LNA Mezclador Filtro de paso bajo A·cos(wOL·t) RF IF LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer ➢Estructuras de recepción • Homodino o de conversión directa
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 12 0 w 0 w wRF wLO=wRF LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer Filtro paso bajo Filtro paso bajo ➢Estructuras de recepción • Zero-IF ➢Simplicidades, evita el problema de la frecuencia imagen ➢DC offset, fugas del LO, asimetría I/Q, ruido flicker
• Low-IF ➢Simple, se reducen los problemas de DC offset y ruido flicker ➢Frecuencia imagen Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 13 RF 0 w 0 w wRFwLO wIF 0 wwIF I Q LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda ➢Estructuras de recepción
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 14 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA ➢Estructuras de recepción • Cabezal de recepción diseñado Low-IF
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 15 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA • Asimétrico-diferencial ➢Estructuras de recepción • Cabezal de recepción diseñado Low-IF
Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 16 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA • Diferencial • Cabezal de recepción diseñado Low-IF ➢Estructuras de recepción
• Cabezal de recepción diseñado Low-IF Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 17 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA •Con reutilización de corriente ➢Estructuras de recepción
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 18 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Objetivos DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 19 Desarrollo de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en la banda de 2.4 GHz de: - Bajo consumo. - Área reducida. Tecnología CMOS 65 nm (UMC) Advanced Design System (Keysight)
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 20 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Amplificador de bajo ruido (LNA) DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 21 LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐹1 + 𝐹2 − 1 𝐺1 + 𝐹3 − 1 𝐺1 · 𝐺2 + ⋯ 𝐹𝑛 − 1 𝐺1 · 𝐺2 · ⋯ · 𝐺 𝑛 • Amplifica con mínimo ruido • Adaptación de entrada a 50 Ω • Alta ganancia • Alta linealidad ➢Características
Amplificador de bajo ruido (LNA) DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 22 Vout Vin VB VDD RS L C RL 𝑅𝑖𝑛 = Τ1 𝑔𝑚 𝑔 𝑚 = 1/𝑅𝑠 = (50Ω)−1 • Configuración en CG ➢Estructura
LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 23 ➢Estructura •Tanque LC (Ltank, Ctank) • Etapa cascodo • Configuración en CG • Circuito LC a la entrada (L1, C1) • C2 otorga estabilidad VDD RFin Vctr M1 M2 CtankLtank RFout C1 L1C2
LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 24 VDD RFin Vctr M1 M2 CtankLtank RFout C1 L1C2 ➢Proceso de diseño o Método de adaptación conjunta para mínimo ruido y máxima transferencia de potencia • Modelado del tanque LC • Encontrar la densidad de corriente que proporcione la NF mínima • Impedancia para mínimo ruido sea 50 Ω • Realizar la adaptación de entrada
LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 25 𝑓𝑟 = 1 𝐿 · 𝐶 · 2𝜋 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑘 = ൯( 𝑄 𝐿 −1 + 𝑄𝑐 −1 −1 Dieléctrico )𝑄 = 𝑖𝑚𝑎𝑔(𝑍 Τ) 𝑟 𝑒𝑎𝑙(𝑍 ➢Tanque LC o Componentes •Bobina •Condensador ▪Tipo MIM ▪Tipo MOM ▪En espiral
LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 26 Bobina MIM MOM 𝐶 = 1 (2𝜋 · 𝑓𝑟)2 · 𝐿 ➢Tanque LC •Setups de simulación
DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 27 Tamaño L Tipo Cond. Q bobina Q Cond. Q tanque Área Tanque (μm)2 125 MIM 9,756 20,964 6,66 16548,856 MOM Imposible obtener MOM 150 MIM 11,08 28,47 7,97 23186,964 MOM 36,7 8,50 28278,964 175 MIM 11,13 37 9,03 31132,376 MOM 69,54 9,59 33482,824 200 MIM 10,6 43,14 8,78 40392,634 MOM 81 9.73 40468,634 LNA asimétrico ➢Tanque LC •Resultados
LNA asimétrico • NF(Ipol) con wf=8 µm y L=65 nm DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 28 𝑑𝑖 = 𝐼𝑝𝑜𝑙 𝑤𝑓 𝑤𝑓 𝐴 𝑚 = 600 µ𝐴 8 µ𝑚 = 75 Τ𝐴 𝑚 𝑤 𝑛 = 𝑤𝑓 · 𝑛 𝑓 = 20 · 4.3 µ𝑚 = 86 µ𝑚 • Densidad de corriente: • Ancho del transistor: • Ipol 225 µ𝐴 ➢Procedimiento de diseño
➢Procedimiento de diseño LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 29 NF=2,34 dB Ganancia= 16 dB Diámetro bobina (μm) Lado del condensador (μm) Ganancia (dB) NF(dB) 150 22.86 10.80 2.90 175 14.77 16.00 2.34 200 13.18 16.7 2.29 • Prestaciones del LNA
LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 30 S11= -20 dB • Bias Tee ➢Adaptación de entrada
LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 31 VDD RFin VDD M1 M2 C1 CtankLtank RFout Vctrl Mctrl C2 L1 VDD RFin Vctr M1 M2 CtankLtank RFout C1 L1C2 •Tensión de puerta del transistor cascodo •Etapa de salida ➢Control de ganancia
LNA diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 32 • Necesidad de un balun ➢Estructura •Tanque LC •Etapa cascodo •Configuración en CG •Circuito LC a la entrada •Capactive Cross Coupling
LNA diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 33 𝐶 = 1 2𝐿𝑐𝑡 · 2𝜋 · 𝑓𝑟 2 ➢Tanque LC
LNA diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 34 Diámetro bobina (μm) Ganancia (dB) NF(dB) 175 15.6 3.1 200 17.8 2.9 225 18.6 2.8 250 20 2.7 ➢Procedimiento de diseño 18 dB
LNA diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 35 𝑅𝑖𝑛 = Τ1 𝑔𝑚𝑆11 = −30 𝑑𝐵 ➢Adaptación de entrada
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 36 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 37 fLO = fRF − IF = 2.4GHz − 2.5MHz = 2.3975GHz LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer ➢Definición • Circuito encargado de trasladar la señal de la frecuencia de RF a BB para su posterior tratamiento
Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 38 ➢Tipos o En función de los elementos que lo conforman: • Activos • Pasivos o En función de las componentes espectrales que aparecen a la salida: • Doblemente balanceado  Si wLO y wRF no aparecen a la salida • Simple balanceado  Si wLO o wRF aparece a la salida • No balanceado  Si wLO y wRF aparecen a la salida
Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 39 VDD ILO QLO IIF- QIF+ QIF-R1 R2 R3 R4IIF+ VRF M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 M3 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 ➢Estructura o Mezclador activo basado en una célula de Gilbert con carga activa que diferencia entre I/Q o Prestaciones: • Mayor ruido y menor linealidad que los pasivos • Ganancia positiva
Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 40 VDD ILO QLO IIF- QIF+ QIF-R1 R2 R3 R4IIF+ VRF M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 M3 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 Etapa de RF Carga activa Pares de conmutación diferenciales ➢Estructura
Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 41 P1_Tone VCVS Desfase 0o VCVS Desfase 90o TF Desfase 0o y 180oFuente DC Polarización TF Desfase -90o y 90o • Fuente de RF • Simulación OL➢Proceso de diseño
Mezclador • Fijar R ↑↑ • Fijar la polarización de los transistores • Dimensionar los transistores en búsqueda de: ganancia de conversión ↑↑ y NF ↓↓ • Dimensionar la carga activa. Esta fija la tensión de referencia de las ramas • Reducir las resistencias utilizadas en la polarización de los transistores DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 42 VDD ILO VRF M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 IIF+ IIF- M3 R1 R2 ➢Proceso de diseño
Mezclador • Figura de ruido DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 43 • Ganancia de conversión ➢Proceso de diseño • Efecto de las tensiones de polarización
Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 44 •Etapa de entrada • Transistores de conmutación • Carga activa (PMOS) • Efecto del tamaño de los transistores sobre las distintas etapas ➢Proceso de diseño 6 4 6
Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 45 • Efecto de la resistencia de polarización de la carga activa ➢Proceso de diseño
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 46 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Cabezal de recepción completo 47 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA o Se han diseñado dos cabezales de recepción convencionales: • Cabezal asimétrico-diferencial • Cabezal diferencial ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Cabezal de recepción asimétrico-diferencial 48 VDD ILO QLO IIF- QIF+ QIF-R1 R2 R3 R4IIF+ VRF M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 M3 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 VDD RFin VDD M1 M2 C1 CtankLtank RFout Vctrl Mctrl C2 L1 C3 C4 ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
VDD ILO QLO VRF M5 M6 M7 M8 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M15 M18M16 M17 IIF+ IIF- QIF+ QIF- M9 M16 R1 R2 R3 R4 C5 C6 M1M2 C1 C2 C3 C4 M3M4 L1 L2 RFout RF+ RF- Vctrl Cabezal de recepción diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 49 ➢Estructura
Cabezales de recepción en cascada DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 50 Arquitectura Asimétrica Diferencial Ganancia LNA [dB] 20.64 22.85 Ganancia Mixer [dB] 13.7 10.98 Ganancia Total [dB] 34.35 33.83 NFssb [dB] 7.8 7.9 NFdsb [dB] 4.75 4.88 IIP3 [dBm] -23 -22.5 Consumo [mW] 2.3 4.33 • Comparativa entre las estructuras asimétrico-diferencial y diferencial ➢Resultados
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 51 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 52 Mezclador LNA LNA I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 53 Mezclador LNA LNA I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 54 Mezclador LNA LNA I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Cabezal con reutilización de corriente 55 • Modificar la polarización de los transistores. • Modificar el tanque LC. • Dimensionar los transistores. • Realizar la adaptación de entrada. ➢Proceso de diseño DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Cabezal con reutilización de corriente 56 • Efecto del condensador del tanque LC ➢Proceso de diseño DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 57 Arquitectura Diferencial convecional Cabezal con reutilización de corriente Consumo [mW] 4.33 2.14 Ganancia LNA [dB] 22.85 14.55 Ganancia Mixer [dB] 10.98 10.9 Ganancia Total [dB] 33.83 25.45 NFssb[dB] 7.9 12.37 NFdsb[dB] 4.88 9.36 IIP3 [dBm] -22.5 -18.35 • Comparativa entre las estructuras diferencial en cascada y con reutilización de corriente ➢Proceso de diseño
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 58 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- VRF M1 M2 M3 Iboost MP1 LO Transistores de conmutación Transconductor de la etapa de RF o Mejorar ganancia y NF: • Aumentar RL • Disminuir potencia del LO • Inyección de corriente • Inyección de corriente en una determinada parte del circuito • Mezclador simple balanceado ➢Técnica
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 59 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- VRF M1 M2 M3 Iboost MP1 LO o Sin C. Boosting o C. Boosting con fuente ideal o C. Boosting con PMOS • Inyección de corriente en una determinada parte del circuito. • Mezclador simple balanceado ➢Técnica
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 60 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- VRF M1 M2 M3 Iboost MP1 LO • C. Boosting con fuente ideal • Efecto de la inyección de corriente ➢Técnica
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 61 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 IF- M3 Iboost MP1 LO 𝑔 𝑚𝑇 = 𝑔 𝑚1,𝑛 + 𝑔 𝑚2,𝑝 • C. Boosting con PMOS • Efecto de la inyección de corriente ➢Técnica
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 62 • C. Boosting mezclador • C. Boosting LNA ➢Estructura
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 63 • Efecto Vpol • Efecto número de fingers ➢Estructura
Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 64 ➢Resultados
Cabezales de recepción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 65 Estructura Consumo [mW] Ganancia LNA [dB] Ganancia Mezclador [dB] Ganancia de conversión [dB] NFssb [dB] NFdsb [dB] IIP3 [dBm] Convencional diferencial 4.33 22.85 10.98 33.83 7.92 4.88 >-23 Reutilización de corriente (R.C.) 2.14 14.55 10.9 25.45 12.37 9.36 >-19 R.C. con inyección de c. con fuentes de corriente ideales 2.20 14.48 16.54 31.02 10.75 7.75 >-24 R.C. con inyección de c. con la transconductancia adicional del transistor PMOS 2.20 13.48 17.82 31.30 10.74 7.73 >-22 R.C con inyección de c. con Espejo de Corriente 2.44 14.34 14.9 29.24 10.69 7.68 >-16 • Comparativa entre los cabezales de recepción diferenciales ➢Resultados
DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 66 • Efecto del la tensión de puerta de los NMOS • IP3 mínima ganancia ➢Resultados Control de ganancia 5 – 31 dB -6.8 dBm
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 67 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Receptor completo • Reutilización de corriente • Current-boosting DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 68 LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda PGA PGA Mixer ➢Estructura – Cabezal de recepción
LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda PGA PGA Mixer Receptor completo DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 69 • wc=2,5MHz. B=3MHz. Rechazo imagen>20 dBc • Butterworth de tercer orden • Transconductores ideales ➢Estructura – Filtro
LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda PGA PGA Mixer Receptor completo •Dos OTA (21 dB en pasos de 3 dB) de Miller y compensación de fuente. DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 70 ➢Estructura – PGA
Receptor completo 71 Adaptación de entrada Ganancia y figura de ruido para toda la banda ➢Resultados DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Receptor completo 72 Figura de ruido de un canal Respuesta en frecuencia ➢Resultados DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Receptor completo 73 IP3 – Modo mínima ganancia ➢Resultados -7 dBm DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 74 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
Conclusiones Objetivo: Obtener un cabezal de recepción basado en la arquitectura Low-IF para la banda de 2.4 GHz definida en el estándar IEEE 802.15.4. DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 75 LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer
Conclusiones DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 76 Parámetros Especificaciones Resultados Consumo de potencia [mW] El menor posible 3.45 [LNA+Mixer+PGA] Ganancia del receptor [dB] >30 (FE) [-20 a 65] (BB) 31.3(FE) 42(BB) Variación de la ganancia [dB] 65 (FE+BB) -- NF [dB] <15.5 9.63 Rechazo imagen [dBc] >20 >31 IIP3 [dBm] >-32 para máxima ganancia >-10 para mínima ganancia -- -7 Sensibilidad [dB] -85 -90 • Comparativa de los resultados obtenidos frente al estándar.
Conclusiones DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 77 Parámetros (LNA+MIX +FILTRO+PGA) [27] (LNA+MIX +TIA+FILTRO) [15] (LNA+MIX +FILTRO +PGA) [40] (LNA+MIX +FILTRO +PGA) Este trabajo Tecnología 180 nm 180 nm 65 nm 65 nm Ganancia del receptor [dB] 32 (FE) -- 42(FE) -- 57 (FE+BB) 31.3(FE) 43(BB) 74.3 (FE+BB) NF [dB] -- 10.3 8.5 9.63 IIP3 [dBm] _ -5 -6 -7* Consumo de potencia [mW] 9 5.5 1.7 3.45
Conclusiones DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 78 An Enhanced Current Reuse RF Receiver Front-End for the IEEE 802.15.4 Standard G. Ojeda-Rodríguez, M. San-Miguel-Montesdeoca, D. Mayor-Duarte, S. Mateos-Angulo, S.L. Khemchandani and J. del Pino Institute for Applied Microelectronics (IUMA), Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Las Palmas de Gran Canaria, Spain Conference on Design of Circuits and Integrated Systems 2017
Conclusiones DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 79 LNA RF 2.4 GHz IIF QIF I/Q Gen. VCO Mixer Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda Mixer Filtro paso bajo Filtro paso bajo Mixer PA PGA PGA IIF QIF PLL Rx Cabezal de recepción Tx Sintetizador de frecuencias •Diseño del oscilador local. •Diseño del filtro polifásico real. •Diseño del transmisor. •Layout del diseño y realización de simulaciones post- layout. •Diseño de las antenas de transmisión y recepción. •Fabricación y medidas experimentales sobre el chip. •Realización de medidas sobre el chip bajo los efectos de radiación. ➢Líneas futuras
Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 80 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3
Presupuesto DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 81 Concepto Coste Trabajo tarifado por tiempo empleado 4.344,00€ Amortización del material hardware 110,42€ Amortización del material software 717,60€ Redacción del trabajo 362,05€ Costes de visado del COITT 19,37€ Coste de tramitación y envío 6,00€ Material Fungible 50,00€ Subtotal 5.609,44€ IGIC (7%) 392.66€ Total 6.002.10€
DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 nm T ITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN AUTOR: GUILLERMO OJEDA RODRÍGUEZ TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PI NO SUÁREZ D. MARIO SA N MIGUEL MONTESDEOCA

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Presentación TFG - Guillermo Ojeda

  • 1. DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 nm T ITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN AUTOR: GUILLERMO OJEDA RODRÍGUEZ TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PI NO SUÁREZ D. MARIO SA N MIGUEL MONTESDEOCA
  • 2. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 2 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 3. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 3 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 4. Introducción • Demanda: Dispositivos de bajo coste y larga vida útil • Propósito: Monitorizar condiciones físicas del entorno • Ventajas: Alta flexibilidad y velocidad de despliegue 4 ZigBee Aplicaciones Automatización de edificios Salud Control industrial Automatizacion del hogar Telecomunicaciones Otros Medicion automatizada · Monitorización de pacientes · Control del estado físico · Rastreo de equipos · Control de procesos · Gestión energética · Seguridad · Ventilación · Control de iluminación · Control de acceso · Irragación automática · Comunicaciones con periféricos · Puntos de venta · Servicios de red alternativos · Medición inteligente · Control de consumo · Seguridad · Ventilación · Control de iluminación · Control de acceso · Control de clima · Predicción de terremotos ➢Redes de sensores DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 5. Introducción 5 802.15.4 802.15.3 WPAN Satellite RFID Bluetooth LR-WPAN WLAN W-MAN WMAN 1 Mbps 10 Mbps 100 Mbps 802.11g 802.11a HiperLan 802.11b1G 2G 2.5G 3G 4G WiFi 802.16 UWB Data rate PowerConsumption Cost/Complexity €€€€ € WiMedia WiMax ➢Redes de sensores DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 6. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 6 Application Framework (AF) Application Support Sublayer (APS) Network Layer (NWK) Medium Access Control Layer (MAC) Physical Layer (PHY) Especified by IEEE 802.15.4 Zigbee Platform Zigbee Applications ➢ZigBee
  • 7. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 7 Region Europe America China Japan Worldwide Frequency band [MHz] 868-868.6 902-928 779-787 950-956 2400-2483.5 No. of channels 1 10 8 22 16 Channel Bandwidth [MHz] 0.6 2 1 0.6/0.4/0.2 5 Bit rate [kbps] 20 40 250 20/20/100 250 Modulation scheme BPSK BPSK O-QPSK MPSK BPSK BPSK GFSK O-QPSK ➢Capa física del estándar IEEE 802.15.4
  • 8. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 8 LNA RF 2.4 GHz IIF QIF I/Q Gen. VCO Mixer Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda Mixer Filtro paso bajo Filtro paso bajo Mixer PA PGA PGA IIF QIF PLL Rx Cabezal de recepción Tx Sintetizador de frecuencias ➢Cabezal de recepción
  • 9. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 9 LNA Mezclador Filtro A·cos(wOL·t) RF IF 0 0-wRF -wLO -wRF-wLO w w Entrada 0 0-wRF -wLO -wRF-wLO w w Entrada Salida ➢Estructuras de recepción • Heterodino simple ➢Simple, bajo consumo, área reducida ➢Frecuencia imagen, compromiso entre sensibilidad y selectividad
  • 10. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 10 LNA Mezclador Filtro Selección Canal 1 wOL1 RF IF Mezclador Filtro Selección Canal 2 wOL2 Filtro Selección Banda Filtro Rechazo Imagen Amplificador IF ➢Estructuras de recepción • Superheterodino ➢Mejora el compromiso entre sensibilidad y selectividad ➢Mayor consumo, área y complejidad
  • 11. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 11 LNA Mezclador Filtro de paso bajo A·cos(wOL·t) RF IF LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer ➢Estructuras de recepción • Homodino o de conversión directa
  • 12. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 12 0 w 0 w wRF wLO=wRF LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer Filtro paso bajo Filtro paso bajo ➢Estructuras de recepción • Zero-IF ➢Simplicidades, evita el problema de la frecuencia imagen ➢DC offset, fugas del LO, asimetría I/Q, ruido flicker
  • 13. • Low-IF ➢Simple, se reducen los problemas de DC offset y ruido flicker ➢Frecuencia imagen Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 13 RF 0 w 0 w wRFwLO wIF 0 wwIF I Q LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda ➢Estructuras de recepción
  • 14. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 14 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA ➢Estructuras de recepción • Cabezal de recepción diseñado Low-IF
  • 15. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 15 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA • Asimétrico-diferencial ➢Estructuras de recepción • Cabezal de recepción diseñado Low-IF
  • 16. Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 16 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA • Diferencial • Cabezal de recepción diseñado Low-IF ➢Estructuras de recepción
  • 17. • Cabezal de recepción diseñado Low-IF Introducción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 17 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA •Con reutilización de corriente ➢Estructuras de recepción
  • 18. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 18 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 19. Objetivos DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 19 Desarrollo de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en la banda de 2.4 GHz de: - Bajo consumo. - Área reducida. Tecnología CMOS 65 nm (UMC) Advanced Design System (Keysight)
  • 20. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 20 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 21. Amplificador de bajo ruido (LNA) DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 21 LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐹1 + 𝐹2 − 1 𝐺1 + 𝐹3 − 1 𝐺1 · 𝐺2 + ⋯ 𝐹𝑛 − 1 𝐺1 · 𝐺2 · ⋯ · 𝐺 𝑛 • Amplifica con mínimo ruido • Adaptación de entrada a 50 Ω • Alta ganancia • Alta linealidad ➢Características
  • 22. Amplificador de bajo ruido (LNA) DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 22 Vout Vin VB VDD RS L C RL 𝑅𝑖𝑛 = Τ1 𝑔𝑚 𝑔 𝑚 = 1/𝑅𝑠 = (50Ω)−1 • Configuración en CG ➢Estructura
  • 23. LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 23 ➢Estructura •Tanque LC (Ltank, Ctank) • Etapa cascodo • Configuración en CG • Circuito LC a la entrada (L1, C1) • C2 otorga estabilidad VDD RFin Vctr M1 M2 CtankLtank RFout C1 L1C2
  • 24. LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 24 VDD RFin Vctr M1 M2 CtankLtank RFout C1 L1C2 ➢Proceso de diseño o Método de adaptación conjunta para mínimo ruido y máxima transferencia de potencia • Modelado del tanque LC • Encontrar la densidad de corriente que proporcione la NF mínima • Impedancia para mínimo ruido sea 50 Ω • Realizar la adaptación de entrada
  • 25. LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 25 𝑓𝑟 = 1 𝐿 · 𝐶 · 2𝜋 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑘 = ൯( 𝑄 𝐿 −1 + 𝑄𝑐 −1 −1 Dieléctrico )𝑄 = 𝑖𝑚𝑎𝑔(𝑍 Τ) 𝑟 𝑒𝑎𝑙(𝑍 ➢Tanque LC o Componentes •Bobina •Condensador ▪Tipo MIM ▪Tipo MOM ▪En espiral
  • 26. LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 26 Bobina MIM MOM 𝐶 = 1 (2𝜋 · 𝑓𝑟)2 · 𝐿 ➢Tanque LC •Setups de simulación
  • 27. DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 27 Tamaño L Tipo Cond. Q bobina Q Cond. Q tanque Área Tanque (μm)2 125 MIM 9,756 20,964 6,66 16548,856 MOM Imposible obtener MOM 150 MIM 11,08 28,47 7,97 23186,964 MOM 36,7 8,50 28278,964 175 MIM 11,13 37 9,03 31132,376 MOM 69,54 9,59 33482,824 200 MIM 10,6 43,14 8,78 40392,634 MOM 81 9.73 40468,634 LNA asimétrico ➢Tanque LC •Resultados
  • 28. LNA asimétrico • NF(Ipol) con wf=8 µm y L=65 nm DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 28 𝑑𝑖 = 𝐼𝑝𝑜𝑙 𝑤𝑓 𝑤𝑓 𝐴 𝑚 = 600 µ𝐴 8 µ𝑚 = 75 Τ𝐴 𝑚 𝑤 𝑛 = 𝑤𝑓 · 𝑛 𝑓 = 20 · 4.3 µ𝑚 = 86 µ𝑚 • Densidad de corriente: • Ancho del transistor: • Ipol 225 µ𝐴 ➢Procedimiento de diseño
  • 29. ➢Procedimiento de diseño LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 29 NF=2,34 dB Ganancia= 16 dB Diámetro bobina (μm) Lado del condensador (μm) Ganancia (dB) NF(dB) 150 22.86 10.80 2.90 175 14.77 16.00 2.34 200 13.18 16.7 2.29 • Prestaciones del LNA
  • 30. LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 30 S11= -20 dB • Bias Tee ➢Adaptación de entrada
  • 31. LNA asimétrico DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 31 VDD RFin VDD M1 M2 C1 CtankLtank RFout Vctrl Mctrl C2 L1 VDD RFin Vctr M1 M2 CtankLtank RFout C1 L1C2 •Tensión de puerta del transistor cascodo •Etapa de salida ➢Control de ganancia
  • 32. LNA diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 32 • Necesidad de un balun ➢Estructura •Tanque LC •Etapa cascodo •Configuración en CG •Circuito LC a la entrada •Capactive Cross Coupling
  • 33. LNA diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 33 𝐶 = 1 2𝐿𝑐𝑡 · 2𝜋 · 𝑓𝑟 2 ➢Tanque LC
  • 34. LNA diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 34 Diámetro bobina (μm) Ganancia (dB) NF(dB) 175 15.6 3.1 200 17.8 2.9 225 18.6 2.8 250 20 2.7 ➢Procedimiento de diseño 18 dB
  • 35. LNA diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 35 𝑅𝑖𝑛 = Τ1 𝑔𝑚𝑆11 = −30 𝑑𝐵 ➢Adaptación de entrada
  • 36. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 36 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 37. Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 37 fLO = fRF − IF = 2.4GHz − 2.5MHz = 2.3975GHz LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer ➢Definición • Circuito encargado de trasladar la señal de la frecuencia de RF a BB para su posterior tratamiento
  • 38. Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 38 ➢Tipos o En función de los elementos que lo conforman: • Activos • Pasivos o En función de las componentes espectrales que aparecen a la salida: • Doblemente balanceado  Si wLO y wRF no aparecen a la salida • Simple balanceado  Si wLO o wRF aparece a la salida • No balanceado  Si wLO y wRF aparecen a la salida
  • 39. Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 39 VDD ILO QLO IIF- QIF+ QIF-R1 R2 R3 R4IIF+ VRF M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 M3 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 ➢Estructura o Mezclador activo basado en una célula de Gilbert con carga activa que diferencia entre I/Q o Prestaciones: • Mayor ruido y menor linealidad que los pasivos • Ganancia positiva
  • 40. Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 40 VDD ILO QLO IIF- QIF+ QIF-R1 R2 R3 R4IIF+ VRF M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 M3 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 Etapa de RF Carga activa Pares de conmutación diferenciales ➢Estructura
  • 41. Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 41 P1_Tone VCVS Desfase 0o VCVS Desfase 90o TF Desfase 0o y 180oFuente DC Polarización TF Desfase -90o y 90o • Fuente de RF • Simulación OL➢Proceso de diseño
  • 42. Mezclador • Fijar R ↑↑ • Fijar la polarización de los transistores • Dimensionar los transistores en búsqueda de: ganancia de conversión ↑↑ y NF ↓↓ • Dimensionar la carga activa. Esta fija la tensión de referencia de las ramas • Reducir las resistencias utilizadas en la polarización de los transistores DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 42 VDD ILO VRF M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 IIF+ IIF- M3 R1 R2 ➢Proceso de diseño
  • 43. Mezclador • Figura de ruido DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 43 • Ganancia de conversión ➢Proceso de diseño • Efecto de las tensiones de polarización
  • 44. Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 44 •Etapa de entrada • Transistores de conmutación • Carga activa (PMOS) • Efecto del tamaño de los transistores sobre las distintas etapas ➢Proceso de diseño 6 4 6
  • 45. Mezclador DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 45 • Efecto de la resistencia de polarización de la carga activa ➢Proceso de diseño
  • 46. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 46 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 47. Cabezal de recepción completo 47 LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA LNARFLNARF IIF Q-IF VBMIX VBLNA VBMIX Q-LO I-LO I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA o Se han diseñado dos cabezales de recepción convencionales: • Cabezal asimétrico-diferencial • Cabezal diferencial ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 48. Cabezal de recepción asimétrico-diferencial 48 VDD ILO QLO IIF- QIF+ QIF-R1 R2 R3 R4IIF+ VRF M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 M3 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 VDD RFin VDD M1 M2 C1 CtankLtank RFout Vctrl Mctrl C2 L1 C3 C4 ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 49. VDD ILO QLO VRF M5 M6 M7 M8 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M15 M18M16 M17 IIF+ IIF- QIF+ QIF- M9 M16 R1 R2 R3 R4 C5 C6 M1M2 C1 C2 C3 C4 M3M4 L1 L2 RFout RF+ RF- Vctrl Cabezal de recepción diferencial DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 49 ➢Estructura
  • 50. Cabezales de recepción en cascada DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 50 Arquitectura Asimétrica Diferencial Ganancia LNA [dB] 20.64 22.85 Ganancia Mixer [dB] 13.7 10.98 Ganancia Total [dB] 34.35 33.83 NFssb [dB] 7.8 7.9 NFdsb [dB] 4.75 4.88 IIP3 [dBm] -23 -22.5 Consumo [mW] 2.3 4.33 • Comparativa entre las estructuras asimétrico-diferencial y diferencial ➢Resultados
  • 51. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 51 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 52. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 52 Mezclador LNA LNA I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 53. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 53 Mezclador LNA LNA I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 54. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 54 Mezclador LNA LNA I-IF Q-IF VBMIX VBMIX Q-LO I-LO LNA I-IF Q-IF VBIAS VBMIX Q-LO I-LO RF VBLNA VBLNA VBLNA VBLNA ➢Estructura DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 55. Cabezal con reutilización de corriente 55 • Modificar la polarización de los transistores. • Modificar el tanque LC. • Dimensionar los transistores. • Realizar la adaptación de entrada. ➢Proceso de diseño DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 56. Cabezal con reutilización de corriente 56 • Efecto del condensador del tanque LC ➢Proceso de diseño DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 57. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 57 Arquitectura Diferencial convecional Cabezal con reutilización de corriente Consumo [mW] 4.33 2.14 Ganancia LNA [dB] 22.85 14.55 Ganancia Mixer [dB] 10.98 10.9 Ganancia Total [dB] 33.83 25.45 NFssb[dB] 7.9 12.37 NFdsb[dB] 4.88 9.36 IIP3 [dBm] -22.5 -18.35 • Comparativa entre las estructuras diferencial en cascada y con reutilización de corriente ➢Proceso de diseño
  • 58. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 58 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- VRF M1 M2 M3 Iboost MP1 LO Transistores de conmutación Transconductor de la etapa de RF o Mejorar ganancia y NF: • Aumentar RL • Disminuir potencia del LO • Inyección de corriente • Inyección de corriente en una determinada parte del circuito • Mezclador simple balanceado ➢Técnica
  • 59. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 59 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- VRF M1 M2 M3 Iboost MP1 LO o Sin C. Boosting o C. Boosting con fuente ideal o C. Boosting con PMOS • Inyección de corriente en una determinada parte del circuito. • Mezclador simple balanceado ➢Técnica
  • 60. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 60 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- VRF M1 M2 M3 Iboost MP1 LO • C. Boosting con fuente ideal • Efecto de la inyección de corriente ➢Técnica
  • 61. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 61 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 R1 R2 VDD IF+ IF- LO VRF M1 M2 M3 IF- M3 Iboost MP1 LO 𝑔 𝑚𝑇 = 𝑔 𝑚1,𝑛 + 𝑔 𝑚2,𝑝 • C. Boosting con PMOS • Efecto de la inyección de corriente ➢Técnica
  • 62. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 62 • C. Boosting mezclador • C. Boosting LNA ➢Estructura
  • 63. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 63 • Efecto Vpol • Efecto número de fingers ➢Estructura
  • 64. Cabezal con reutilización de corriente DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 64 ➢Resultados
  • 65. Cabezales de recepción DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 65 Estructura Consumo [mW] Ganancia LNA [dB] Ganancia Mezclador [dB] Ganancia de conversión [dB] NFssb [dB] NFdsb [dB] IIP3 [dBm] Convencional diferencial 4.33 22.85 10.98 33.83 7.92 4.88 >-23 Reutilización de corriente (R.C.) 2.14 14.55 10.9 25.45 12.37 9.36 >-19 R.C. con inyección de c. con fuentes de corriente ideales 2.20 14.48 16.54 31.02 10.75 7.75 >-24 R.C. con inyección de c. con la transconductancia adicional del transistor PMOS 2.20 13.48 17.82 31.30 10.74 7.73 >-22 R.C con inyección de c. con Espejo de Corriente 2.44 14.34 14.9 29.24 10.69 7.68 >-16 • Comparativa entre los cabezales de recepción diferenciales ➢Resultados
  • 66. DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 66 • Efecto del la tensión de puerta de los NMOS • IP3 mínima ganancia ➢Resultados Control de ganancia 5 – 31 dB -6.8 dBm
  • 67. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 67 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 68. Receptor completo • Reutilización de corriente • Current-boosting DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 68 LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda PGA PGA Mixer ➢Estructura – Cabezal de recepción
  • 69. LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda PGA PGA Mixer Receptor completo DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 69 • wc=2,5MHz. B=3MHz. Rechazo imagen>20 dBc • Butterworth de tercer orden • Transconductores ideales ➢Estructura – Filtro
  • 70. LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda PGA PGA Mixer Receptor completo •Dos OTA (21 dB en pasos de 3 dB) de Miller y compensación de fuente. DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 70 ➢Estructura – PGA
  • 71. Receptor completo 71 Adaptación de entrada Ganancia y figura de ruido para toda la banda ➢Resultados DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 72. Receptor completo 72 Figura de ruido de un canal Respuesta en frecuencia ➢Resultados DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 73. Receptor completo 73 IP3 – Modo mínima ganancia ➢Resultados -7 dBm DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 74. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto 74 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM.
  • 75. Conclusiones Objetivo: Obtener un cabezal de recepción basado en la arquitectura Low-IF para la banda de 2.4 GHz definida en el estándar IEEE 802.15.4. DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 75 LNARF IIF QIF 90° LO Mixer Mixer
  • 76. Conclusiones DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 76 Parámetros Especificaciones Resultados Consumo de potencia [mW] El menor posible 3.45 [LNA+Mixer+PGA] Ganancia del receptor [dB] >30 (FE) [-20 a 65] (BB) 31.3(FE) 42(BB) Variación de la ganancia [dB] 65 (FE+BB) -- NF [dB] <15.5 9.63 Rechazo imagen [dBc] >20 >31 IIP3 [dBm] >-32 para máxima ganancia >-10 para mínima ganancia -- -7 Sensibilidad [dB] -85 -90 • Comparativa de los resultados obtenidos frente al estándar.
  • 77. Conclusiones DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 77 Parámetros (LNA+MIX +FILTRO+PGA) [27] (LNA+MIX +TIA+FILTRO) [15] (LNA+MIX +FILTRO +PGA) [40] (LNA+MIX +FILTRO +PGA) Este trabajo Tecnología 180 nm 180 nm 65 nm 65 nm Ganancia del receptor [dB] 32 (FE) -- 42(FE) -- 57 (FE+BB) 31.3(FE) 43(BB) 74.3 (FE+BB) NF [dB] -- 10.3 8.5 9.63 IIP3 [dBm] _ -5 -6 -7* Consumo de potencia [mW] 9 5.5 1.7 3.45
  • 78. Conclusiones DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 78 An Enhanced Current Reuse RF Receiver Front-End for the IEEE 802.15.4 Standard G. Ojeda-Rodríguez, M. San-Miguel-Montesdeoca, D. Mayor-Duarte, S. Mateos-Angulo, S.L. Khemchandani and J. del Pino Institute for Applied Microelectronics (IUMA), Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Las Palmas de Gran Canaria, Spain Conference on Design of Circuits and Integrated Systems 2017
  • 79. Conclusiones DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 79 LNA RF 2.4 GHz IIF QIF I/Q Gen. VCO Mixer Mixer Filtro paso banda Filtro paso banda Mixer Filtro paso bajo Filtro paso bajo Mixer PA PGA PGA IIF QIF PLL Rx Cabezal de recepción Tx Sintetizador de frecuencias •Diseño del oscilador local. •Diseño del filtro polifásico real. •Diseño del transmisor. •Layout del diseño y realización de simulaciones post- layout. •Diseño de las antenas de transmisión y recepción. •Fabricación y medidas experimentales sobre el chip. •Realización de medidas sobre el chip bajo los efectos de radiación. ➢Líneas futuras
  • 80. Índice oIntroducción oObjetivos oDiseño de los cabezales de recepción asimétrico y diferencial o Diseño del LNA o Diseño del mezclador o Formación de los cabezales de recepción oDiseño de un cabezal con reutilización de corriente oReceptor completo oConclusiones oPresupuesto DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 80 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3
  • 81. Presupuesto DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 NM. 81 Concepto Coste Trabajo tarifado por tiempo empleado 4.344,00€ Amortización del material hardware 110,42€ Amortización del material software 717,60€ Redacción del trabajo 362,05€ Costes de visado del COITT 19,37€ Coste de tramitación y envío 6,00€ Material Fungible 50,00€ Subtotal 5.609,44€ IGIC (7%) 392.66€ Total 6.002.10€
  • 82. DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS DE 65 nm T ITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN AUTOR: GUILLERMO OJEDA RODRÍGUEZ TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PI NO SUÁREZ D. MARIO SA N MIGUEL MONTESDEOCA