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Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido
(LNA) en Tecnología SiGe 0,35 µµµµm para el
estándar inalámbrico IEEE 802.11a
Autor: Jesús Rubén Pulido Medina Tutor : Francisco Autor: Jesús Rubén Pulido Medina Tutor : Francisco Javier del Pino SuárezJavier del Pino Suárez
EUITT Sistemas Electrónicos Cotutor: EUITT Sistemas Electrónicos Cotutor: SunilSunil LalchandLalchand KhemchandaniKhemchandani
ULPGC ULPGC Abril de 2004Abril de 2004
Proyecto Fin de Proyecto Fin de CarreraCarrera
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Jesús Rubén Pulido Medina Proyecto Fin de Carrera
Abril de 2004 Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA)
• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µµµµm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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• Introducción
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µµµµm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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Objetivos
- Diseño de un LNA con tecnología SiGe 0,35 µµµµm para el
estándar inalámbrico IEEE 802.11a.
- Integración de dicho amplificador en un receptor de
conversión directa.
- Verificación de la validez de la tecnología emplead a en
la implementación de un LNA para dicho estándar.
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µµµµm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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• Estándar IEEE 802.11a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (RF )
Características del estándar IEEE 802.11a
Tipos de receptores
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• Características de los sistemas de RF
• Ganancia
• Figura de ruido (NF)
• Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3)
• Coeficiente de onda estacionario (VSWR)
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• Ganancia
Relación entre las amplitudes de las señales de entra da y salida de un circuito
entrada
salida
V
VG =
=
entrada
salida
V
VdBG log20)(
LNA
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• Figura de ruido
t
Vn
ANi
N
GP
PNF
⋅= 0
000 /
/
SNR
SNR
PP
PPNF i
NS
iNiS ==
F
21|Vn|
T
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Para dos etapas en cascada:
1
21
1
AG
NFNFNF
−+=
NF1
GA1
NF2
GA2
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• Punto de intercepción de Tercer Orden (IP3)
Nos informa acerca de la linealidad de un circuito
ω1 ω2
ω
OIM3
OIM3
ω1 ω2ω
Señal deseada
2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1
ω
ω
Señal deseada
2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1
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2ω1-ω2 ω1 ω2 2ω2-ω1ω
∆P
Pin
IM3
∆P
IIP3 Pentrada (dBm)
Psalida (dBm)
2
P∆ Potencia de la señal principal
Potencia de IM
(IM3)
20 log (Ain)
OIP3
2
P∆
ω1111
ω2
ω
Curvas Reales
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• Coeficiente de onda estacionario ( VSWR)
Medida cuantitativa de la adaptación del circuito a la entrada (VSWR1) o a la salida ( VSWR2).
1
1
_
_||
+−==Γ
VSWR
VSWR
reflejadaOnda
incidenteOndaL
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• Estándar IEEE 802.11a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (R F)
Características del estándar IEEE 802.11a
Tipos de receptores
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30 MHz 30 MHz
5150 5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320 5350 MHz
Bandas U-NII Inferior y Media :8 canales en 200 MHzcon un espaciado de 20 MHz
5725 5745 5765 5785 5805 5825 MHz
20 MHz 20 MHz
Banda U-NII Superior: 4 canales en 100 MHz con un espaciado de 20 MHz
• Características del estándar IEEE 802.11a
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Sensibilidad de entrada
15-1-6554
160-6648
204-7036
248-7424
2711-7718
2913-7912
3115-819
3216-826
Rechazo alternativo de
canales adyacentes
(dB)
Rechazo de canales
adyacentes (dB)
Sensibilidad mínima (dBm)
Tasa de bits (Mbits/s)
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• Estándar IEEE 802.11a
Características de los sistemas de radiofrecuencia (R F)
Características del estándar IEEE 802.11a
Tipos de receptores
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• Tipos de receptores
• Receptor de conversión directa
• Receptor de doble conversión
• Receptor de arquitectura Weaver modificada
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• Receptor de conversión directa
LNA
90º
Sintetizador
5.15-5.825 GHz
I
Q
RFBanda Base
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• Receptor de doble conversión
Frecuencia Intermedia (1 GHz) RF
LNA
90º
Sintetizador
1.15-1.825 GHzIF
RF FI
4 GHz
I
Q
Banda Base
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• Receptor de arquitectura Weaver modificada
90º
ω1
90º
ω2LNA
RF
± IF
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µµµµm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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• Características de los LNAs
• Especificaciones
• Topologías de LNAs más comunes
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• Especificaciones
>1Factor de estabilidad
20 dBAislamiento inverso
50 ΩImpedancia de
salida
50 ΩImpedancia de
entrada
9 dBGanancia
-10 dBmIIP3
4.5 dBNF
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• Topologías de LNAs más comunes
1) Configuración emisor-común
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2) LNA de dos etapas
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3) LNA cascodo ( Single-Ended )
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4) LNA diferencial
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2) LNA Balanceado (Balanced)
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 µµµµm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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Tecnología SiGe 0,35 µµµµm de AMS
![Page 33: Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) en](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070517/62c238b2b914df5acc4b7da8/html5/thumbnails/33.jpg)
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• Componentes activos y pasivos
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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• Diseño a nivel de esquemático
Polarización óptima delos transistores
Configuración apropiadadel LNA
Adaptación de entraday de salida
Verificación y optimización de resultados
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• Polarización óptima de los transistores
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- Simulaciones
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• Configuración apropiada del LNA
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• Etapas de polarización
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• Adaptación de entrada
VOUTZin VOUT
Zin
VOUTZin
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• Adaptación de salida
VZout
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• Circuito asimétrico final
R1=9.2 KOhms.R2=20.2 KOhms.R3=20.2 KOhms.R4=50 KOhms.C1=227 fF.C2=1 pF.C3=160 fF.Lb Inductancia = 3nH; Factor de calidad (Q)=9.6Le Inductancia = 0.6nH; Factor de calidad (Q)=13.6L3 Inductancia = 5nH; Factor de calidad (Q)=7.6
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• Resultados
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• Resultados (Cont.)
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• LNA Balanceado (Balanced)
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• Resultados
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• Resultados (Cont.)
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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• Diseño a nivel de layout
• Técnica del centroide común
• LNA Cascodo
• LNA Balanceado
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• Técnica del centroide común
B B
A
A
Contorno Isobárico
Y
Stress a través de lasección A-A
Stress
XStress a través de la sección B-B
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• Layout del centroide común
A
AB
B
(A)
B
A
B
A
A
B
A
B
(B)
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• LNA Cascodo
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Resultados
645 µm * 736 µmÁrea del chip
9.82 mWConsumo de potencia
11.857 dBmOIP3
-4.373 dBmIIP3
-9.3 dBS22
16.230 dBS21
-47 dBS12
-41 dBS11
2.53VSWR2
1.25VSWR1
2.875 dBNF
16.230 dBGanancia
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• LNA Balanceado
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• Resultados
767 µm * 932 µmÁrea del chip
19.64 mWConsumo de potencia
14.59 dBmOIP3
-1.32 dBmIIP3
-14.43 dBS22
15.910 dBS21
-44 dBS12
-32.81 dBS11
1.93VSWR2
1.35VSWR1
3.127 dBNF
15.910 dBGanancia
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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• Integración en una cadena de recepción
BALUN LNA
Mezclador
SalidaIF
Sintetizador5.15 a 5.825 GHz
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Estructura del mixer
+
+
+
VLO-
-Vout
+
+ VRF -
M1
M3
M2
M4
R=20 KΩΩΩΩ
R=20 KΩΩΩΩ
R=20 KΩΩΩΩ
R=20 KΩΩΩΩ
R=20 KΩΩΩΩ R=20 KΩΩΩΩ
+-
+-VGATE
VDRAIN
Mezclador diseñado por D. Roberto Díaz Ortega
+
-
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Layout del sistema
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Simulaciones post-layout
1,070,6050,714Área (mm 2)
33,1713,5319,64Consumo
(mW)
8314,59OIP3 (dBm)
40-1,32IIP3 (dBm)
5,93453,127NF (dB)
544315,910Ganancia
(dB)
ConjuntoMezcladorLNAParámetros
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Run de fabricación
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
![Page 63: Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) en](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070517/62c238b2b914df5acc4b7da8/html5/thumbnails/63.jpg)
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Comparación con otros trabajos (LNA asimétrico)
0.35 µm CMOS
SiGe HBT
GaAs HBT
ProcesoTecnológico
5.8
5.8
5.7
Frec.(GHz)
0.6 x 0.56
0.5 x 0.6
0.5 x 0.6
Área sin pads
(mm 2)
3.2
2.1
2.9
NF(dB)
7.2
6.9
16
Gain(dB)
-3.7
-11
7.3
IIP3(dBm)
1.2
0.03
3.0
OIP3/PDC
2 etapas CS
2 etapas CE
2 etapas Realimentación
resistiva
Características
1.3
1
3.5
Vcc(V)
0.35 µm SiGe HBT
5.1-5.9 0.4 x 0.53 2.8 16.3 -1.3 3.6 C.Cascodo3.3 9.82
20
13
72
PDC(mW)
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Comparación con otros trabajos (LNA balanceado)
ProcesoTecnológico
Frec.(GHz)
Área sin pads
(mm 2)
NF(dB)
Gain(dB)
IIP3(dBm)
OIP3/PDC
CaracterísticasVcc(V)
0.35 µm SiGe HBT 5.1-5.9 0.56 x 0.7 3.1 15.9 -1.3 4.42 Diferencial CC3.3 19.64
PDC(mW)
Diferencial CS
Diferencial CC
0.35 µm CMOS
0.24 µm CMOS
5.8
5.25
1.1 x 0.94
0.83 x 0.4
4
2.5
5
16
-
-1.5
-
0.6
3.3
3
50
48
![Page 65: Diseño de un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) en](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070517/62c238b2b914df5acc4b7da8/html5/thumbnails/65.jpg)
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- La tecnología SiGe 0.35 µm es apta para el diseño de componentes analógicos de radiofrecuencia.
- Los objetivos inicialmente planteados se han lograd o de forma satisfactoria.
- Línea de investigación de más envergadura en la que se desarrollan varios proyectos de investigación.
• Conclusiones
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• Estructura del Proyecto
Introducción
Objetivos
Estándar IEEE 802.11a
Características de los LNAs
Tecnología SiGe 0,35 mm de AMS
Diseño a nivel de esquemático
Diseño a nivel de layout
Integración en una cadena de recepción
Conclusiones
Presupuesto
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
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• Presupuesto
El presupuesto del presente proyecto asciende a: €