Post on 06-Feb-2015
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”