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Microelectrónica de comunicaciones
Luis Quintanilla SierraDepartamento de Electricidad y Electrónica
E. T. S. I. Telecomunicación, Universidad de Valladolid
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Primera transmisión inalámbrica transoceánica
Marconi, 12 de diciembre de 1901
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Primera transmisión inalámbrica transoceánica
10 de diciembre de 1909, Marconi recibe el premio Nobel de Física
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¿Por qué “inalámbrica”?Acceso a información y comunicación
en cualquier medio y lugar, rápida y económicamente.
Búsqueda de un terminal universal
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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
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Aplicaciones: el “mercado inalámbrico” (II)
Mercado multimillonario (200 Billones de $ en 2002) ¿Qué tal acceder a un 0.01 % de él?
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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)
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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 !!
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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,
...
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Espacio de diseño RF multidimensional
Ruido Linealidad
Disipación depotencia
Tensión dealimentación
Ganancia
Rangos detensión
Velocidad
Impedancias deentrada/salida
Diseño RF
¡¡ Compromiso entre especificaciones !!
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Entorno de diseño de un sistema de comunicaciones completo
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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
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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
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Sistema de comunicaciones completo basado en SoC
Sistemas mixtosi) optimizar costes yii) compatibilidad entre los subsistemas
Realización en tecnología CMOS
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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)
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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
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Consecuencia del escalado: transistores más rápidos
¡¡ Limitación en la tensión máxima de alimentación !!
F T
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Interconexiones de Al multinivel
Escalado inverso de las interconexiones[Kleveland, JSSC, 2001]
Los diseños CMOS alcanzarán f > 10 GHz
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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
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Tecnología CMOS: innovaciones compatibles (I)
utilizar un sustrato aislante: SoI/SoS, SIMOX, ...
micromecanizado en volumen: por ejemplo, en bobinas.
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Mejora tecnológica: metalización multinivel de Cu
Tecnología CMOS: innovaciones compatibles (II)
Alternativa futura: metalizacion de Au
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Tecnología CMOS: innovaciones compatibles (III)
incorporación de la tecnología de Si1-x Gex
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“... y después, soñé que soñaba.”
Ejemplo de System-on-Chip realizado en Si1-x Gex
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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
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Diseño de sistemas Transmisores/Receptores: Jerarquía
Circuitos
Arquitecturas: heterodino, homodino, ...
Bloques funcionales:filtros, LNA, osciladores, ...
Componentes:transistores, bobinas, ...
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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
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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
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Sistemas Receptores: Rango Dinámico
1 μV
Distancia al emisor, ...
100 mV
Señ
al r
eci b
ida
100 dB
Sistema AGC
Alta sensibilidad
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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
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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
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Receptores heterodinos: receptor digital (II)
Conversiones múltiples Procesamiento digital(con demodulación compleja)
Conversor de alta velocidady amplio rango dinámico
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Rechazo de la frecuencia imagen mediante filtrado
El problema de la “frecuencia imagen”
Receptores heterodinos: desventaja (III)
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Receptores heterodinos: limitación (IV)
Existen varios bloques no integrables
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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)
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Comparación de arquitecturas en términos de bloques no integrables
Homodino
Heterodino
Receptores homodinos (II)
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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
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Arquitecturas
Bloques funcionales
LNA, mezclador y oscilador
Circuitos
Componentes
Descripción a nivel de circuito
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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”...
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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
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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
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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
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Descripción a nivel de componentes
Arquitecturas
Bloques funcionales
Circuitos
Componentes(modelado y realización)
transistores MOS
y bobinas
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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
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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)
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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
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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
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Integración monolítica de bobinas en Si
Mecanismos de pérdidas
pérdidas resistivas
pérdidas inductivas
pérdidas capacitivas
Geometrías que tienden a la forma circular
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Aumento de Q: estrategia conservadora (I)
Metalización multinivel de Al
Escalado inverso de las interconexiones
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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).
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Aumento de Q: estrategia innovadora (III)
Metalización multinivel de Cu
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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)
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Micromecanizado en volumen: bobina suspendida[Sun, Microw. Symp., 1996]
Aumento de Q: estrategia innovadora (V)
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Aumento de Q: estrategia innovadora (VI)
Trinchera basada en cavidades[Rofougaran, JSSC, 1998]
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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
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Escalado del encapsulado del circuito integrado
chip “desnudo”sobre el sustrato
Comparación de perfiles de distintos encapsulados
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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
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Distorsión debida a los hilos de conexión
efectos inductivosindeseados
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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
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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
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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
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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
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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
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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”