Presentación del Trabajo Fin de Grado de Guillermo Ojeda, titulado Diseño de un Cabezal de Recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS de 65 nm. Defendido el mes de julio de 2017 con mención en matrícula de honor.
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.
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
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
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
