Microelectrónica de comunicaciones

Luis Quintanilla SierraDepartamento de Electricidad y Electrónica

E. T. S. I. Telecomunicación, Universidad de Valladolid

Primera transmisión inalámbrica transoceánica

Marconi, 12 de diciembre de 1901

Primera transmisión inalámbrica transoceánica

10 de diciembre de 1909, Marconi recibe el premio Nobel de Física

¿Por qué “inalámbrica”?Acceso a información y comunicación

en cualquier medio y lugar, rápida y económicamente.

Búsqueda de un terminal universal

Aplicaciones: el “mercado inalámbrico” (I)

Datos: “Buscas” Redes locales inalámbricas (WLAN):

Wi-Fi (IEEE802.11), HIPERLAN y Bluetooth

Voz: Teléfono inalámbrico y móvil (DECT, GSM, ...) Radio celular (principalmente digital, GSM, ...)

Otros: Redes de uso doméstico: TV vía satélite, ... Sistemas de posicionamiento global (GPS) Identificación/seguimiento por radiofrecuencia (RFID)

Multimedia (video, …) : Tecnología UMTS/3G

Aplicaciones: el “mercado inalámbrico” (II)

Mercado multimillonario (200 Billones de $ en 2002) ¿Qué tal acceder a un 0.01 % de él?

Señal en el dominio RF

Concepto de “señal de radiofrecuencia”

Señal en “banda base”

¡¡La señal RF comienza a frecuencias tan bajas como los 10 kHz !!

- analógica y

- modulada

- analógica/digital y

- espectro entorno a DC (f = 0)

Sistema de comunicaciones completo:diagrama de bloques

Señales RF Tamaño relativo: pequeño Consumo de potencia: 30%

Señales en “banda base” Tamaño relativo: grande Consumo de potencia: 70%

¡¡El bloque de RF es el cuello de botella en el diseño !!

El ámbito RF es un campo multidisciplinar

Teoría de laComunicación:

modulación,algoritmos, ...

Realizacióndel producto:

diseñadores de circuitos,diseñadores de layout,

...

Desarrollo deherramientas CAD:modelado transistor,componentes pasivos,

...

Espacio de diseño RF multidimensional

Ruido Linealidad

Disipación depotencia

Tensión dealimentación

Ganancia

Rangos detensión

Velocidad

Impedancias deentrada/salida

Diseño RF

¡¡ Compromiso entre especificaciones !!

Entorno de diseño de un sistema de comunicaciones completo

Sistemas de comunicaciones: realización tradicional

Componentes discretos e integrados basados en materiales diferentes

Elección del componente óptimo para cada función

Los ajustes posteriores al ensamblado (sintonía) son sencillos

Aplicaciones militares

Placas de circuito impreso

El concepto de “System - on - Chip (SoC)”

Pequeño tamaño

Bajo consumo de potencia

Alto volumen de fabricación

Bajo coste

Aplicaciones comerciales y de consumo

Sistemas de comunicaciones: realización innovadora

Tecnología de RF basada en el silicio

Sistema de comunicaciones completo basado en SoC

Sistemas mixtosi) optimizar costes yii) compatibilidad entre los subsistemas

Realización en tecnología CMOS

Tecnología de RF basada en CMOS:

convencional + innovaciones compatibles

Evolución de la tecnología CMOS escalado de los dispositivos y

escalado inverso de las interconexiones

La tecnología de radiofrecuencia (I)

Escalado de los dispositivos

disminución de: - espesor del óxido de puerta - profundidad uniones aumenta - la impurificación del sustrato

En los MOS, aumento de:- transconductancia, y- capacidades parásitas Transistores críticos de

dimensiones mínimas

Consecuencia del escalado: transistores más rápidos

¡¡ Limitación en la tensión máxima de alimentación !!

F T

Interconexiones de Al multinivel

Escalado inverso de las interconexiones[Kleveland, JSSC, 2001]

Los diseños CMOS alcanzarán f > 10 GHz

Tecnología de RF basada en CMOS:

convencional + innovaciones compatibles

pérdidas en el sustrato a frecuencias superiores a 1 GHz, interacciones indeseadas (“crosstalk”), acoplamiento térmico, ...

La tecnología de radiofrecuencia (II)

Limitaciones inherentes al silicio

Tecnología CMOS: innovaciones compatibles (I)

utilizar un sustrato aislante: SoI/SoS, SIMOX, ...

micromecanizado en volumen: por ejemplo, en bobinas.

Mejora tecnológica: metalización multinivel de Cu

Tecnología CMOS: innovaciones compatibles (II)

Alternativa futura: metalizacion de Au

Tecnología CMOS: innovaciones compatibles (III)

incorporación de la tecnología de Si1-x Gex

“... y después, soñé que soñaba.”

Ejemplo de System-on-Chip realizado en Si1-x Gex

Prestaciones de la tecnología CMOS en RF

Prestaciones

Integración

Tiempo en el mercado

Coste

FT > 100 GHzNFMIN < 0.5 dB @ 2 GHz

CMOS es un buen candidato para circuitos RF

Diseño de sistemas Transmisores/Receptores: Jerarquía

Circuitos

Arquitecturas: heterodino, homodino, ...

Bloques funcionales:filtros, LNA, osciladores, ...

Componentes:transistores, bobinas, ...

Sistemas Transmisores/Receptores: Arquitecturas

Arquitecturas:

heterodino, homodino, rechazo de imagen, submuestreo, ...

Criterios de selección:

complejidad, potencia disipada, número de componentes externos, coste, …

Los avances tecnológicos e innovaciones pueden modificar su importancia relativa

Sistemas Transmisores/Receptores: Selectividad

Limitación importante:

El espectro permitido por usuario es muy estrecho(p. e., 200 kHz en GSM ó30 kHz en IS-54)

Alta Selectividad banda/canal

Filtros con Q elevada

Transmisor Receptor

Sistemas Receptores: Rango Dinámico

1 μV

Distancia al emisor, ...

100 mV

Señ

al r

eci b

ida

100 dB

Sistema AGC

Alta sensibilidad

La idea clave: translación de la frecuencia

Frecuencia intermedia (IF),

donde IF (<< RF) es fija

MezcladorRF IF = RF - LO

LO

Oscilador local

Señal de entrada

Conversión hacia frecuencias inferiores

RF ± LO

sintonizados

FiltroRF

Receptores heterodinos (I)

Heterodino: mezcla de frecuencias diferentes ( RF LO)

LNA para amplificar la señal recibida ¡ sin incluir ruido !

RF ± LO

“Downconversion Mixing”

IF = RF - LO

Señal RF

Oscilador local

Receptores heterodinos: receptor digital (II)

Conversiones múltiples Procesamiento digital(con demodulación compleja)

Conversor de alta velocidady amplio rango dinámico

Rechazo de la frecuencia imagen mediante filtrado

El problema de la “frecuencia imagen”

Receptores heterodinos: desventaja (III)

Receptores heterodinos: limitación (IV)

Existen varios bloques no integrables

Espectro en “banda base”

Receptores homodinos (I)

Ventajas: no existe frecuencia imagen y mayor facilidad de integración

Homodino, de conversión directa o de IF-cero:mezcla de frecuencias iguales ( RF = LO)

Comparación de arquitecturas en términos de bloques no integrables

Homodino

Heterodino

Receptores homodinos (II)

Receptores homodinos: limitaciones (III)

Efectos de offset

Desajustes entre las ramas I y Q

No linealidad del LNA y asimetrías en el mezclador

Ruido 1/f (“flicker noise”)

Rechazo de interferencias

Principales dificultades

Arquitecturas

Bloques funcionales

LNA, mezclador y oscilador

Circuitos

Componentes

Descripción a nivel de circuito

El mundo está loco, loco, loco, ...

“En alta frecuencia,los condensadores se comportan como bobinas,las bobinas como condensadores,los amplificadores oscilan ylos osciladores se niegan a hacerlo.”

Nuestras “condiciones de contorno”...

Amplificador de bajo ruido (LNA)

Especificaciones: Pequeña contribución al ruido (NFGSM < 2 dB) Alta linealidad Proporcionar la ganancia adecuada (12 - 20 dB)

Primera etapa activa en el camino de la señal

Configuración en fuente común

Heterodino Homodino

LNA realizado en 0.25 µm CMOS [Huang, JSSC, 1998]

SUMMARY OF LNA MEASUREMENTS

0 / 2 = 900 MHz Gain = 16.2 dB

Power = 30 mW NF = 1.85 dB

Application: GSM

L1 = 1 – 2 nH:bobina realizada conel hilo de conexiónde los pads(L wirebond 1 nH/mm)

bobina externa

SUMMARY OF LNA MEASUREMENTS

0 / 2 = 1.2 GHz Gain = 20 dB

Power = 9 mW NF = 0.79 dB

Application: GPS

LNA realizado en 0.25 µm CMOS [Leroux, ISSCC, 2001]

bobina integrada

bobina integrada

Descripción a nivel de componentes

Arquitecturas

Bloques funcionales

Circuitos

Componentes(modelado y realización)

transistores MOS

y bobinas

Modelado de los transistores MOS

Simuladores

Para f < 500 MHz, modelos de parámetros concentrados para transistores MOS: BSIM3v3, Model 9, EKV.

Para f > 1 GHz, el transistor MOS se comporta como un dispositivo de parámetros distribuidos donde existen efectos específicos:

canal distribuido (efecto NQS) resistencia de puerta distribuida impedancia distribuida de sustrato

Modelos

Incorporar estos efectos en modelos concentrados

Modelado de transistores MOS en RF (I)

Circuito equivalente para f > 1 GHz[Enz, JSSC, 2000]

Resistencia distribuidade puerta

Resistencia de carga del canal(efecto NQS)ri 1/(5 g m)

Modelado de transistores MOS en RF (II)

Circuito equivalente para f > 1 GHz[Tin, JSSC, 2000]

Resistencia distribuida del sustrato( f < 10 GHz )

Conclusión Efectos complejos con un modelado simple (f < 10 GHz):

inclusión en el modelo de dos o tres resistencias

Efectos inductivos en circuitos integrados

Mediante hilos delgados de conexión de los pads: Q entre 20 - 50 L limitada y con fluctuaciones

Mediante integración monolítica de bobinas (Meyer, 1990): capas de metalización + vías

Autoinducción(son habituales errores del 20%)

Circuito equivalente

Descripción geométrica

Integración monolítica de bobinas en Si

Mecanismos de pérdidas

pérdidas resistivas

pérdidas inductivas

pérdidas capacitivas

Geometrías que tienden a la forma circular

Aumento de Q: estrategia conservadora (I)

Metalización multinivel de Al

Escalado inverso de las interconexiones

Aumento de Q: estrategia conservadora (II)

Bobina en configuración completamente simétrica

Realización de una bobina octogonal:(a) configuración convencional, y(b) configuración completamente simétrica

(realizada con metalizaciones 1 y 2).

Aumento de Q: estrategia innovadora (III)

Metalización multinivel de Cu

Aumento de Q: estrategia innovadora (IV)

Utilización de sustratos alternativos

Sustratos de Si de alta resistividad (100 – 1000 Ω x cm) Estructuras SoI/SoS y SIMOX

(10 x cm)

Ejemplo:

L = 80 nH @ 1 GHz(con metalización de Cu)

Micromecanizado en volumen: bobina suspendida[Sun, Microw. Symp., 1996]

Aumento de Q: estrategia innovadora (V)

Aumento de Q: estrategia innovadora (VI)

Trinchera basada en cavidades[Rofougaran, JSSC, 1998]

Encapsulado del circuito integrado

Circuito equivalente del encapsulado

Comentarios: existe un ancho de banda del propio encapsulado y su modelado debe incluirse desde las primeras etapas de diseño

pinconexiónpad-pin

Escalado del encapsulado del circuito integrado

chip “desnudo”sobre el sustrato

Comparación de perfiles de distintos encapsulados

Desventaja:efectos inductivos delhilo (L wirebond 1 nH/mm)

Chip “desnudo” sobre el sustrato (I)

Conexión entre los pads del CI y las pistas del sustrato

Distorsión debida a los hilos de conexión

efectos inductivosindeseados

Chip “desnudo” sobre el sustrato (II)

Tecnología “Flip – Chip”

Características: chip “boca-abajo” pads distribuidos en el chip

Ventajas:1. disminuyen

efectos inductivos retrasos de la señal

2. menor tamaño

Sistema completo en encapsulado único (SiP)

SiP basado en Módulos Multichip (MCM)

Ejemplo: Bloque RF de un receptor a 5 GHz para WLAN [Diels, Trans. Advanced Packaging, 2001]

Características: componentes pasivos de alta calidad circuitos integrados montados con tecnología “flip-chip”

pasivos

sustrato devidrio

Receptor para PCS1900 [Abou-Allam, JSSC, Octubre 2001]

Ejemplo de receptor heterodino

SUMMARY OF RECEIVER MEASUREMENTS

0 / 2 = 1.9 GHz IF frequency = 260 MHz

Power supply = 1.0 V Image rejection = 70 dB

Technology: 0.5 µm CMOS

Ejemplo de receptor de conversión directa

“Transceiver” para HIPERLAN [Liu, JSSC, Diciembre 2000]

SUMMARY OF TRANSCEIVER MEASUREMENTS

0 / 2 = 5 GHz Technology: 0.25 µm CMOS

Power supply = 3.0 V Power consumption = 115 mW

Los retos para los próximos años (I)

1. Componentes (activos y pasivos):i. caracterización y ii. modelado en RF

2. Sustrato:i. mayor aislamiento y ii. modelado de los efectos de acoplamiento

3. Mejores herramientas de diseño en RF

A nivel de circuito

A nivel de sistema

Los retos para los próximos años (II)

1. Diseño del sistema en conjunto, considerandosus bloques funcionales

2. Maximizar el número de bloques de tipo digital(¡conversores A/D y D/A!)

3. Utilizar SiP e incluir el modelo del encapsulado

4. Optimización de la caracterización y verificación

5. Comprensión completa de los ”standard”