Progettazione a RadioFrequenza

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1 Progettazione a RadioFrequenza D. Zito Prof. B. Neri Dipartimento di Ingegneria dell Informazione: Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni Seminario d Introduzione alla Progettazione a Radiofrequenza e Simulatori D.Zito, Maggio 2003, Pisa - Parte 2 Sommario 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 Riepilogo e Conclusioni

2 Base Coupled Differential (BCD) LNA Topology 1) i b2 = - i b4 Bonding to Input Lead 2) h fe2 = h fe4 i c2 = - i c4 Uscite Simmetriche Down -Bonding to Ground Plane (GP) Single to Differential No Induttori Integrati 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: Idea Boot-Strapped Inductor Input Stage Buffer Stage

5 LNA Selettivo Integrato: Chip e Misure trasformatore induttore STM Si Bipolar f T = 25 GHz Area=1200 x 700 µm 2 Controllo Adattivo e LNA Selettivo per WLAN Multi- Standard (5-6 GHz) RF RF out in PLL LNA DAC Peak Detector ADC In collaborazione con l Univ. di Berkeley (California,USA) LNA Selettivo Tunable ( GHz) Auto-Calibrazione Digitale f ref Digital Calibration IBM SiGe-CMOS 0.25 µm, f T = 47 GHz

6 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)

7 Principio di Funzionamento (1) Parametri Tipici Principio di Funzionamento (2) Single-Ended Differenziale V V [ bs( )] ( t) = I R a t out RF + out n = + = + sin( nπ 2) n ( f ) ai RF ( f ) R bi RF ( f ) R δ f n= nπ T

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) V () t = A cos( ω t φ ()) t RF RF RF M Isolamenti e Noise Figure I OL RF = P P OL OL OL RF Noise Figure = I I RF FI = OL FI = P P P P [ S N] RF dovuto al segnale a [ S N ] totale a frequenza IF IF RF RF RF FI OL OL OL FI frequenza RF

11 G C = Guadagno di Conversione [ PIF ] [ P ] ARF IF RF V V out IF G C VRF ( t) RC 4 ( t) = ω R + R + 1 gm π cos S V ( ω) = R = 1 2 π RF S 2R R S E 1 ( ω ω FI ) R + R + 1 gm C E C 1 2RC π LO t Linearità Punto di Compressione a 1dB: CP 1dB funzione di V OL Intercetta 3 Ordine: IP 3 funzione di V OL

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

19 LNA: Analisi Transistoria LNA: Stabilità (transitorio) VIF

20 LNA: Linearità (CP1dB) LNA: Linearità (CP1dB)

21 Mixer a Reiezione della Frequenza Immagine: Cella di Gilbert f RF = 5.25 GHz f LO = 4.15 GHz Mixer a Reiezione della Frequenza Immagine: Stadio OL f LO = 4.15 GHz

22 Mixer a Reiezione dell Immagine: Stadio IF (Buffer + PP + Sommatore) f RF = 5.25 GHz f LO = 4.15 GHz f IF = 1.1 GHz Mixer: Analisi Pnoise

23 Mixer: Noise Figure (20.4 db) Mixer: Analisi PXF

24 Mixer: GC e Reiezione dell Immagine segnale (+6.5 db) immagine (-57 db) Mixer: Linearità (CP1dB)

25 LNA + Mixer: Analisi Pnoise LNA + Mixer: Noise Figure flicker G LNA decrescente

26 LNA + Mixer: Analisi Transitoria LNA + Mixer: GC e Image Rejetion segnale (+35 db) immagine (-40 db)

27 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

28 Conclusioni Power Amplifier (PA) Voltage Controlled Oscillator (VCO) Voltage Controlled Oscillator (VCO)

29 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: