Diseño de un filtro polifásico para un receptor IEEE

802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm

TITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN

AUTOR: DANIEL MAYOR DUARTETUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ

DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI

2

ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

3

ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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Esquema general de un receptor de RF

Cabezal de recepción

Introducción

Este proyecto

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Aparición de frecuencias imagen

Introducción

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Introducción Diferentes tipos de solución:

Filtro rechaza imagen

Estructuras basadas en multiplicadores activos

FILTRO POLIFÁSICO

7

ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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ObjetivosDiseño de un filtro polifásico para el estándar IEEE 802.15.4 en la banda de 2.4 GHz de bajo consumo

Tecnología CMOS 0.18 μm (UMC)

Advanced Design System(Keysight)

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ObjetivosParámetros Especificaciones

Frecuencia central 2.5 MHz

Ancho de banda 3 MHz

Frecuencia canal adyacente ±5 MHz

Frecuencia canal alterno ±10 MHz

Rechazo canal adyacente 0 dB

Rechazo canal alterno 30 dB

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Objetivos1. FILTRO PASO BAJO PASIVO

2. FILTRO PASO BAJO ACTIVO

3. FILTRO POLIFÁSICO ACTIVO

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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Teoría básica de filtrosFunción principal Rechazar todas las frecuencias menos la deseada

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Teoría básica de filtrosClasificación según el rango de frecuencias en el que operan:

Paso bajo

Paso alto

Paso banda

Elimina banda

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Teoría básica de filtrosClasificación según los componentes que la forman:

Pasivos No posee ningún elemento que amplifiqueEjemplos: Filtros LC y de microondaVentajas

Baja sensibilidad a las variaciones de los componentes No consumen potencia Alta frecuencia Aptos para tensiones y corrientes elevados Bajo ruido

Desventajas No dan ganancia Necesidad de inductores (Problemas con el área cuando se integra)

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Teoría básica de filtrosClasificación según los componentes que la forman:

Activos Emplean elementos que amplificanEjemplos: SC, RC y gm-CVentajas

Ganancia Impedancias ajustables Fácilmente integrables ( no poseen inductores)

Desventajas Frecuencia limitada Ruido debido a la circuitería

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Teoría básica de filtrosEfectos de segundo orden

DC offsets: Puede corromper las señales y saturar las etapas siguientes. Se puede compensar en caso necesario y afecta más a los filtros paso bajo

Ruido: Debe ser menor que el bit menos significativo del A/D

Distorsión: Producida de dos formas Por no linealidades en el filtro

Por intermodulación (IM)

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Teoría básica de filtrosRespuesta de las distintas aproximaciones

Butterworth (máximamente plano)

Chebyshev o de igual rizado

Chebyshev inverso

Bessel-Thompson

Elíptico igual rizado o Cauer

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Teoría básica de filtrosFiltro Butterworth

Respuestas planas en banda de paso

El orden del filtro corresponde al número de polos

Rechazo fuera de la banda de paso inferior al deotro tipo de aproximaciones

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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Diseño del filtro paso bajo pasivo

Herramienta de diseño de filtros de ADS

Ancho de banda 1.5 MHz Rechazo en la banda de paso 3dB Frecuencia canal alterno

7.5MHz Rechazo en el canal alterno 30dB Impedancia de entrada 12KΩ Impedancia de salida 12KΩ

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Diseño del filtro paso bajo pasivo

Filtro pasivo resultante

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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Topología Gm-CEstá basada en el uso de transconductores

Buena relación de compromiso entre:

Consumo

Ruido

Frecuencia de trabajo

Uso eficiente del ancho de banda

Formado por transconductores y condensadores

Idóneo para frecuencias intermedias

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Topología Gm-CResistencia simulada con OTAs

Integradores simulados con OTAs

𝑅=𝑉𝐼

𝑉 𝑜

𝑉 𝑖=𝑔𝑚𝑠𝐶

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Topología Gm-CGiradores simulados con OTAs

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Topología Gm-CFiltros de primer y segundo orden

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Topología Gm-CFiltros de orden superior

Dos formas de realizarlos :

Conectar varias estructuras de primer y segundo orden en cascada

Simulación de filtros pasivos en escalera (Laddder)

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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Filtro activo paso bajo con OTAs idealesFiltro pasivo resultante

Girador a emplear

L

C1 = 8.8345 pF

C2 = 8.8345 pF

C = 10pF

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Filtro activo paso bajo con OTAs idealesFuente de corriente controlada por tensión ideal (OTA ideal)

Cálculo del valor de transconductancia

LC = 10 pF

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Filtro activo paso bajo con OTAs ideales

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Filtro activo paso bajo con OTAs idealesRespuesta del filtro pasivo vs. Respuesta de filtro activo con transconductores ideales

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología Gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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OTA de NautaCaracterísticas principales:

Área reducida

Bajo consumo

Simétrico frente a los inversores quelo forman

No tiene nodos internos

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Metodología Gm/IdReducción de tamaño de los transistores

Disminuyen tensiones de alimentación

¿SOLUCIÓN? Gm/Id

Pérdida de ganancia

Disminución del rango dinámico

…

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Metodología Gm/IdFuncionamiento del transistor

Tres regiones: Corte:

Lineal u óhmica:

Saturación

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Metodología Gm/IdPor debajo de la tensión umbral corrienteno nula

Tres niveles de inversión Débil Fuerte Moderada

Necesidad de curvas para poder aplicar esta metodología en el modelado

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Metodología Gm/IdCircuito para extraer curvas del transistor tipo N

Circuito para extraer curvas del transistor tipo P

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Metodología Gm/IdCurvas del transistor tipo N

Curvas del transistor tipo P

𝐺𝑚𝐼𝑑

𝐼𝑑(𝑊 /𝐿 )

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Diseño del OTA realPara asegurar que trabaja en región moderada

Transistor Ancho (W) Longitud (L)

N 0.24 µm 0.36 µm

P 2.49 µm 0.36 µm

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Diseño del OTA realAvdc 43.53 dB

f3dB 6.31 MHz

gm 63 µS

ro 2.350 MΩ

Co 10.73 fF

pm 86.88º

Ci 23.21 fF

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Filtro paso bajo con OTAs reales

v

AMPLIFICADOR IMPEDANCIA BOBINA SUSTITUIDA IMPEDANCIA DE ENTRADA POR UN GIRADOR DE SALIDA

BALUN

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Filtro paso bajo con OTAs realesRespuesta en frecuencia y consumo

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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Teoría de filtros polifásicos

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Teoría de filtros polifásicosFiltro paso bajo

Filtro paso banda complejo

Filtro paso banda

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Teoría de filtros polifásicos

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

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Filtro polifásico con OTAs idealesDesplazamiento en frecuencias de la respuesta del filtro

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Filtro polifásico con OTAs idealesCálculo de transconductancias de las ramas integradoras

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• Estas transconductancias vienen dadas por la expresión:

Donde: • fc= 2.5 MHz• C2=10 pF• C13= 8.8 pFPor lo tanto:• gm13= 157 µS• gm2 = 138 µS

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Filtro polifásico con OTAs ideales

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

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Filtro polifásico con OTAs realesAplicamos Gm/Id para dimensionar los transconductores de las ramas integradoras

Para gm13 = 138 µS

Para gm2 = 157 µS

Transistor Ancho (W) Longitud (L)

N 0.59 µm 0.3 µm

P 3.9 µm 0.3 µm

Transistor Ancho (W) Longitud (L)

N 0.67 µm 0.3 µm

P 4.43 µm 0.3 µm

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Filtro polifásico con OTAs reales

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Filtro polifásico con OTAs reales

Consumo de 1.38 mA

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Filtro polifásico con OTAs realesTécnica 1: Rediseñar los OTAs integradores

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Filtro polifásico con OTAs realesTécnica 1: Rediseñar los OTAs integradores

Consumo de 1.36 mA

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Filtro polifásico con OTAs realesTécnica 2: Simplificar ramas I y Q

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Filtro polifásico con OTAs realesTécnica 2: Simplificar ramas I y Q

Consumo de 0.85 mA

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

BLOQUE 1

BLOQUE 2

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Receptor completo: Frecuencia intermedia

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 62

Amplificador de bajo ruidoFunción: Amplificar y adaptar la señal de RF entrante aportando el mínimo ruido

Adaptación a la entrada a 50Ω

Figura de ruido

Ganancia

Linealidad

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 63

Amplificador de bajo ruidoV c

Ld

C d

Ls

C e x

L g

M1

M2

C cR F in

V c tr

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MezcladorFunción: Desplazar la señal de RF de entrada a la frecuencia IF deseada

Frecuencia de RF : 2.4 GHz

Frecuencia de IF : 2.5 MHz

Frecuencia de OL : 2.3975 GHz

Frecuencia IF = Frecuencia RF ± Frecuencia LO

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 65

Mezclador

LO -

LO -

LO -

LO -

LO +

LO +

LO +

LO +

I +

I -

Q +

Q -

C b p

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 66

Amplificador de transimpedancia

Función: Amplificar la señal de corriente de entrada y proporcionar una señal de tensión en la salida

Compensa la ausencia de ganancia del mezclador

Dos TIAs: Uno para la rama I y otro para la Q

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 67

Amplificador de transimpedancia

R 1

R 1

R 2

R 2

C

C

O ut +

O ut -

RR

RRR12

21ef

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 68

Amplificador de transimpedancia

R 1

R 1

R 2

R 2

C

C

O ut +

O ut -

O UT

IN

Vdd

M1P M2P

M1N M2N

SW 1 SW 2

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 69

Receptor

LNA Gain [dB]

TIA Gain [dB]

Rx Gain [dB]

Rx NF[dB]

4 1 6 43

18 1 20 28

4 24 29 25

18 24 44 10.3

Distintos modos de ganancia

70

NF y ganancia para toda la banda Figura de ruido para un canal

Resultados de simulación

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

71

Adaptación a la entrada Linealidad

Resultados de simulación

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

72

Respuesta en frecuencia

Resultados de simulación

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

73

Resultados de simulaciónConsumo de potencia

mW 4.334=PtotalLNA

TIA

TIA

I

Q

Rx

Cabezal derec epc ión

Filtro polifásic o

𝑃 𝐿𝑁𝐴=3.06𝑚𝑊 𝑃𝑇𝐼𝐴=0.084𝑚𝑊𝑃 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟=1.19𝑚𝑊

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

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ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 75

ConclusionesObjetivo: Obtener un filtro polifásico para el estándar IEEE 802.15.4 en 2,4 GHz usando la tecnología CMOS 0.18 μm. Debe estar centrado en 2.5 MHz y tener una ancho de banda de 3 MHz. Además el rechazo de imagen del receptor debía mayor de 20 dB.

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 76

ConclusionesParámetros Especificaciones Resultados

Consumo de potencia [mW] El menor posible 4.19

Ganancia del receptor [dB] >30 (FE)[-20,65] (BB)

44 (FE)--

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

NF [dB] <15.5 10.3

Rechazo imagen [dBc] >20 34

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

0 para máxima ganancia--

Sensibilidad [dB] -85 -85

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 77

ConclusionesReferencia

[1](LNA+MIX+TIA+

PGA)

[2](LNA+MIX)

[4](LNA+MIX+PGA)

Este trabajo(LNA+MIX+TIA)

Tecnología CMOS [μm]

0.18 0.18 0.18 0.18

Ganancia [dB] 86 30 - 44

NF [dB] 8.5 7.3 <10 10.3

IIP3 [dB] -8 -8 >-15 0

Consumo de potencia [mW]

12.63 6.3 10.8 4.19

DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 78

Conclusiones

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 79

Líneas futuras

Conclusiones

Diseño del circuito de regulación de tensión Layout del circuito y simulaciones post-layout Integración con el resto del transceptor Fabricación y medidas experimentales sobre

el chip

80

ÍndiceoIntroducción

oObjetivos

oTeoría básica de filtros

oDiseño de filtro paso bajo pasivo

oTopología Gm-C

oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales

oOTA de Nauta y metología gm/Id

oTeoría de filtros polifásicos

oFiltro polifásico con OTAs ideales

oFiltro polifásico con OTAs reales

oReceptor completo y simulaciones

oConclusiones y líneas futuras

oPresupuesto

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 81

PresupuestoConcepto Coste

Trabajo tarifado por tiempo empleado 4344,00 €

Amortización del material hardware 73,89 €

Amortización del material software 574,08 €

Redacción del trabajo 349,44 €

Derechos de visado del COITT 18,69 €

Gastos de tramitación y envío 6,00 €

Costes de material fungible 50,00 €

Subtotal 5.416,10 €

I.G.I.C. (7%) 379,13 €

TOTAL 5.795,23 €

Diseño de un filtro polifásico para un receptor IEEE

802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm

TITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN

AUTOR: DANIEL MAYOR DUARTETUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ

DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI