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Implementación física y verificación de un cabezal de
recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS
0.18 µmTITULACIÓN: MÁSTER EN TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIÓNAUTOR: SERGIO MATEOS ANGULOTUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ
DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
3
ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
4
IntroducciónRedes de sensores
Demanda: Dispositivos de bajo coste y larga vida útilPropósito: Monitorizar condiciones físicasVentajas: Despliegue rápido sin necesidad de largas longitudes de cable, alta flexibilidad
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Introducción
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Introducción
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Introducción
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
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Introducción
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RF2,4 GHz
BandaBase
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Introducción
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RF2,4 GHz
BandaBase
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IntroducciónReceptor Cero-IF
Ventajas: Simplicidad, evita el problema de frecuencia imagen, menor coste en área
Desventajas: DC offset, fugas del LO, asimetría I/Q, distorsión de 2º orden, ruido flicker
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IntroducciónReceptor Low-IF
Ventajas: Simple, se minimizan los problemas de DC offset y ruido flicker
Desventajas: Frecuencia imagen
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Introducción
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Low-IF
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Cabezal de recepción diseñado Low-IF
LNA
TIA
TIA
PGA
PGA
I
Q
Rx
Cabezal derec epc ión
Filtro polifásic o
Introducción
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Introducción
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ComRADDiseño de circuitos de comunicaciones para alta radiación
ambientalTEC2015-71072-C3-1-R (MINECO/FEDER)
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 3
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Objetivos
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Obtener el layout de un cabezal de recepción basado en la arquitectura low-IF para el estándar IEEE 802.15.4.
Tecnología UMC 0.18 µm
Herramienta de diseño
Simulaciones (Dynamic Link)
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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Amplificador de bajo ruido
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Función: Amplificar y adaptar la señal de RF entrante aportando el mínimo ruido
Adaptación a la entrada a 50Ω
Figura de ruido
Ganancia
Linealidad
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Amplificador de bajo ruido
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V c
Ld
C d
Ls
C e x
L g
M1
M2
C cR F in
V c tr
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 1
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Mezclador
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Función: 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
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Mezclador
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LO -
LO -
LO -
LO -
LO +
LO +
LO +
LO +
I +
I -
Q +
Q -
C b p
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 1
BLOQUE 2
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Amplificador de transimpedancia
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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
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Amplificador de transimpedancia
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R 1
R 1
R 2
R 2
C
C
O ut +
O ut -
RR
RRR12
21ef
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Amplificador de transimpedancia
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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
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 1
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Proceso de diseñoPasar los esquemáticos a Cadence
Realizar el diseño a nivel de layout
Comprobar las reglas de diseño (DRC)
Comparación layout vs schematic
Extraído de R y C
Simulaciones
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
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LNA
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LNA
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1REFout I
(W/L)(W/L)=I
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LNA
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2
1REFout I
(W/L)(W/L)=I
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LNA
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2
1REFout I
(W/L)(W/L)=I
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LNA
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LNA
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LNA
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LNA
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LNA
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LNA
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LNA
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LNA
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LNA
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Resistencias parásitas
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LNA
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Capacidades parásitas
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LNA
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LC21=f0
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oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
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Mezclador
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Mezclador
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Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]
2.5 44.7 10.3
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Mezclador
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Mezclador
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Mezclador
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Mezclador
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Mezclador
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Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]
2.5 44.3 10.7
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 1
BLOQUE 2
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TIA
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TIA
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TIA
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Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]
2.5 44.7 10.3
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TIA
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TIA
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TIA
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TIA
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TIA
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
62
TIA
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TIA
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Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]
2.5 44.3 10.6
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
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BLOQUE 1
BLOQUE 2
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Cabezal de recepción
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Cabezal de recepción
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Cabezal de recepción
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Cabezal de recepción
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
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Cabezal de recepción
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Cabezal de recepción
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
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Resultados de simulación
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Resultados de simulación
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NF y ganancia para toda la banda
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Resultados de simulación
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NF para un canal
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Resultados de simulación
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Ganancia del LNA [dB]
Ganancia del TIA [dB]
Ganancia del Receptor
[dB]
NF del Receptor
[dB]
4 1 5.7 43
18 1 21 28
4 24 29 25
18 24 44.7 10.3
Distintos modos de ganancia (Esquemático)
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Resultados de simulación
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Ganancia del LNA [dB]
Ganancia del TIA [dB]
Ganancia del Receptor
[dB]
NF del Receptor
[dB]
2.6 1 3.8 45
17.2 1 19 30
2.6 24 27.4 26.7
17.2 24 42.7 12
Distintos modos de ganancia (Post-layout)
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Resultados de simulación
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Respuesta en frecuencia
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Resultados de simulación
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Adaptación de entrada
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Resultados de simulaciónEsquemático Post-layout
Linealidad
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Resultados de simulación
mW 4.334=Ptotal
𝑃 𝐿𝑁𝐴=3.06𝑚𝑊 𝑃𝑇𝐼𝐴=0.084𝑚𝑊𝑃 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟=1.19𝑚𝑊
Consumo de potencia
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oArquitectura del cabezal de recepcióno Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)
oDiseño a nivel de layouto Proceso de diseñoo Amplificador de bajo ruido (LNA)o Mezcladoro Amplificador de transimpedancia (TIA)o Cabezal de recepción
oResultados de simulación
oConclusiones y líneas futuras
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
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ConclusionesObtener el layout de un cabezal de recepción basado en la arquitectura low-IF para el estándar IEEE 802.15.4.
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
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ConclusionesParámetros Especificaciones
Resultados del esquemático
Resultados post-layout
Consumo de potencia [mW] El menor posible 4.334 4.334
Ganancia del receptor [dB] >30 (FE1) 44.7 (FE) 42.7
Variación de ganancia [dB] 65 (FE1 + BB2) 39 (FE) 38.9
NF [dB] <15.5 10.3 12Rechazo imagen [dBc] >20 34 34
IIP3 [dBm] >-32 para máxima ganancia 0 para máxima ganancia2.5 para máxima
ganancia
Sensibilidad [dB] -85 -85 -85
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
84
Conclusiones
Referencia
[2](LNA+MIX+TIA+PGA)
[1](LNA+MIX)
[4](LNA+MIX+PG
A)
Este trabajo:Esquemático(LNA+MIX+
TIA)
Este trabajo:Post-Layout(LNA+MIX+
TIA)
Tecnología CMOS [μm]
0.18 0.18 0.18 0.18 0.18
Ganancia [dB] 86 30 - 44.7 42.7
NF [dB] 8.5 7.3 <10 10.3 12
IIP3 [dBm] -8 -8 >-15 0 2.5
Consumo de potencia [mW]
12.63 6.3 10.8 4.334 4.334
IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
85
Conclusiones
DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 86
Líneas futurasLíneas futuras
Diseño del resto de circuitos
Layout del resto del transceptor
Análisis del efecto de la radiación
Fabricación y mediciones
Implementación física y verificación de un cabezal de
recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS
0.18 µmTITULACIÓN: MÁSTER EN TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIÓNAUTOR: SERGIO MATEOS ANGULOTUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ
DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI
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