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Progettazione a RadioFrequenza
D.Zito, 19-20 Maggio 2003, Pisa
D. ZitoProf. B. Neri
Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione:
“Seminario d’Introduzione alla
Progettazione a Radiofrequenza e Simulatori”
- Parte 2
SommarioIntroduzione alla Progettazione RF
• Progettazione di Front-end RF
Simulazioni Elettromagnetiche
Tecnologie e CAD Tools
Low Noise Amplifier (LNA)
Topologia BCD
LNA Selettivo Integrato
Mixer
• Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz
• Riepilogo e Conclusioni
2
Base Coupled Differential (BCD) LNA Topology
Down -Bonding to
Ground Plane (GP)
1) ib2 = - ib4
ic2 = - ic4
Single to Differential
No Induttori Integrati
Uscite Simmetriche
Bonding to
Input Lead
2) hfe2 = hfe4
Front-End per Bluetooth (2.4 GHz): Layout
3
Front-End per Bluetooth: Bonding Diagram
LNA Selettivo Integrato:Boot-Strapped Inductor (BSI)
Zp
4
Boot-Strapped Inductor (BSI)
LNA Selettivo Integrato: IdeaBoot-Strapped Inductor
Input Stage Buffer Stage
5
LNA Selettivo Integrato: Chip e Misure
Area=1200 x 700 µm2
trasformatoreinduttore STM Si Bipolar
fT = 25 GHz
Controllo Adattivo e LNA Selettivo perWLAN Multi- Standard (5-6 GHz)
outRF RFin
f
Peak
Detector
DACPLL
Calibration
Digital
LNA
ref
ADC
LNA Selettivo Tunable(5.15-5.825 GHz)Auto-Calibrazione Digitale
IBM SiGe-CMOS 0.25 µm, fT = 47 GHz
In collaborazione con l’Univ. di Berkeley (California,USA)
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Sommario
• Introduzione alla Progettazione RF
• Progettazione di Front-end RF
Simulazioni Elettromagnetiche
Tecnologie e CAD Tools
Low Noise Amplifier (LNA)
Mixer
• Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz
• Riepilogo e Conclusioni
Mixer
• Principio di Funzionamento
• Cella di Gilbert
• Isolamenti
• Noise Figure
• Guadagno di Conversione
• Linearità
Punto di Compressione (CP1dB)
Intercetta del 3° Ordine (IP3)
• Mixer a Reiezione (del Segnale Immagine)
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Principio di Funzionamento (1)
• Parametri Tipici
Principio di Funzionamento (2)
[ ])()( tbSaRItV RFout +=
−+= ∑
+∞=
−∞= Tnf
nnRfIbRfIafV
n
nRFRFout δ
ππ )2sin()()()(
Single-Ended Differenziale
8
Cella di Gilbert (1)
• Struttura
Singolarmente Bilanciata Doppiamente Bilanciata
Cella di Gilbert (2)
9
Cella di Gilbert (3)
Cella di Gilbert (4)
10
Cella di Gilbert (5)
( ) cos( ( ))RF RF RF MV t A t tω φ= −
Isolamenti e Noise Figure
RFOL
OLOLRFOL P
PI−
−− =
FIRF
RFRFFIRF P
PI−
−− =
FIOL
OLOLFIOL P
PI−
−− =
[ ][ ] IFfrequenzaatotaleNS
RFfrequenzaasegnalealdovutoNSFigureNoiseIF
RF=
11
Guadagno di Conversione
[ ][ ]
IF IFC
ARF RF
PG
P=
tgmRR
RtVtV LOES
CRFout ω
πcos4
1)()(
1++=
πωωω C
ES
CFIRFIF
RgmRRRVV 2
1)()(
1++−=
S
CC R
RG 212π
=
Linearità• Punto di Compressione a –1dB: CP1dB
• Intercetta 3° Ordine: IP3
funzione di VOL
funzione di VOL
12
Mixer a Reiezione (1)
Mixer a Reiezione (2)
13
Mixer a Reiezione (3)
Mixer a Reiezione (4)
14
Sommario
Introduzione alla Progettazione RF
Progettazione di Front-end RF
Simulazioni Elettromagnetiche
Tecnologie e CAD Tools
Low Noise Amplifier (LNA)
Mixer
• Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz
• Riepilogo e Conclusioni
Front-End Multi-Standard (802.11a, HiPerLAN2) per WLAN 5-6 GHz
• Architettura a doppia conversione (IF- zero IF)
• Low Noise Amplifier (LNA)
• Mixer a Reiezione della Frequenza Immagine
• LNA + Mixer: Risultati delle Simulazioni
Noise Figure
Image Rejection
Analisi Transitoria
15
Front-End Multi-Standard (802.11a, HiPerLAN2) per WLAN 5-6 GHz
Low Noise Amplifier (Topologia BCD)
16
LNA + Buffer: Topologia BCD
LNA: Analisi Lineari
17
Low Noise Amplifier: NFmin e Ron
Low Noise Amplifier: Noise Figure
18
LNA: Risposta in Frequenza
immagine
segnale
LNA: Fattore di Stabilità
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LNA: Analisi Transistoria
LNA: Stabilità (transitorio)
VIF
20
LNA: Linearità (CP1dB)
LNA: Linearità (CP1dB)
21
Mixer a Reiezione della Frequenza Immagine: Cella di Gilbert
fRF= 5.25 GHz
fLO= 4.15 GHz
Mixer a Reiezione della Frequenza Immagine: Stadio OL
fLO= 4.15 GHz
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Mixer a Reiezione dell’Immagine: Stadio IF (Buffer + PP + Sommatore)
fLO= 4.15 GHz
fRF= 5.25 GHz
fIF= 1.1 GHz
Mixer: Analisi Pnoise
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Mixer: Noise Figure
(20.4 dB)
Mixer: Analisi PXF
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Mixer: GC e Reiezione dell’Immagine
immagine (-57 dB)
segnale (+6.5 dB)
Mixer: Linearità (CP1dB)
25
LNA + Mixer: Analisi Pnoise
LNA + Mixer: Noise Figure
flicker GLNA decrescente
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LNA + Mixer: Analisi Transitoria
LNA + Mixer: GC e Image Rejetion
immagine (-40 dB)
segnale (+35 dB)
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LNA + Mixer: Transistorio
VIF
Riepilogo
Introduzione alla Progettazione RF
Progettazione di Front-end RF
Simulazioni Elettromagnetiche
Tecnologie e CAD Tools
Low Noise Amplifier (LNA)
Topologia BCD
LNA Selettivo Integrato
Mixer
Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz
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Conclusioni
Power Amplifier (PA)
Voltage Controlled Oscillator (VCO)
Voltage Controlled Oscillator (VCO)
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Riferimenti
RF and Microwave Circuit Design for Wireless Communications – L.E.Larson Editor – Artech House
RF Microelectronics – B. Razavi – Prentice Hall
Analysis and Design of Analog Integrated Circuits Fourth Edition – P.Gray, R.Meyer, et al. – Wiley
ASITIC: http://formosa.eecs.berkeley.edu/~niknejad/asitic.html
E-mail: [email protected]