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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 µm TITULACIÓN: MÁSTER EN TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIÓN AUTOR: SERGIO MATEOS ANGULO TUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI

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Page 1: Implementación física y verificación de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm

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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2

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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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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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

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8

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 1

BLOQUE 2

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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BLOQUE 1

BLOQUE 2

BLOQUE 3

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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

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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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

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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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

IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

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

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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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

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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LNA

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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

IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

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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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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Mezclador

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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Mezclador

IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]

2.5 44.7 10.3

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Mezclador

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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Mezclador

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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50

Mezclador

IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

Page 51: Implementación física y verificación de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm

51

Mezclador

IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

Page 52: Implementación física y verificación de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm

52

Mezclador

IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]

2.5 44.3 10.7

Page 53: Implementación física y verificación de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm

53

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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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

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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

Frecuencia [MHz] Ganancia [dB] NF [dB]

2.5 44.7 10.3

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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

Page 58: Implementación física y verificación de un cabezal de recepción para el estándar IEEE 802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm

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TIA

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TIA

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TIA

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61

TIA

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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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

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

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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Cabezal de recepción

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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

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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

IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

NF para un canal

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Resultados de simulación

IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y VERIFICACIÓN DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM

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

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82

ConclusionesObtener el layout de un cabezal de recepción basado en la arquitectura low-IF para el estándar IEEE 802.15.4.

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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

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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

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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 UM

85

Conclusiones

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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

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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

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