Microssistemas de RF

(1)

Microssistemas de RF

Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, PORTUGAL Phone: +351-253-510190, Fax: +351-253-510189

http://lattes.cnpq.br/5589969124054528 João Paulo Carmo, PhD

Investigador Principal Universidade do Minho

Departamento de Electrónica Industrial

Centro MicroElectroMechanical Systems (CMEMS) de I&D

[email protected]

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Sumário

1 – Introdução

3 – Receptores de RF

2 – Emissores/receptores de RF

(3)

Evolução da tecnologia (a) Circuitos digitais (b) Circuitos analógicos

(c) Componentes optimizados para RF

Introdução

- Resistências de elevado valor e baixa tolerância - Condensadores optimizados para RF

- Indutâncias integradas com factor de qualidade razoável (até 10) - Camadas especiais para implementar protecções ESD

(d) CMOS

- Maior integração

- Menores consumos comparativos

- Produção em largas séries  menor custo unitário por dispositivo

(4)

Técnicas MCM

(a) Permite integrar diversas tecnologias heterogéneas no mesmo microssistema

Introdução

- on-chip

(b) Tipos de técnicas de integração

- on-package

- on-wafer

(5)

Transceiver genérico

- Blocos constituintes

Emissores-receptores de RF

RF transceiver

(6.4.7)

(6.4.6)

(6.4.5) (6.3.1)

(6.3.2) (6.4.6)

(6.3.4)

sinal a enviar Circuito

modulador

massa (GND) PA

LNA

Filtro

sinal recebido Processamento

na banda-base Circuito

desmodulador

fref

PLL

Antena

RF switch

(6.3.3)

Vdd

(1) Receptor (2) Emissor

(3) Comutador de RF

(6)

RF transceiver

(6.4.7)

(6.4.6)

(6.4.5) (6.3.1)

(6.3.2) (6.4.6)

(6.3.4)

modulador

massa (GND) PA

LNA

Filtro

desmodulador

fref

PLL

Antena

RF switch

(6.3.3)

Vdd

Receptor

- Blocos:

Receptor de RF

(1) LNA: o primeiro andar por onde passa o sinal de RF captado - amplificar o sinal de RF sem degradar o SNR;

- sem distorcer significativamente o sinal à saída

(2) Desmodulador: converte o sinal RF no sinal desejado à saída do receptor - Requer ou NÃO um circuito misturador (produto analógico)

(4) Processamento na banda-base

- Efectuar ajustes no sinal desmodulado, por exemplo:

amplificação suplementar, filtragem, conversão analógica digital

(7)

RF transceiver

(6.4.7)

(6.4.6)

(6.4.5) (6.3.1)

(6.3.2) (6.4.6)

(6.3.4)

modulador

massa (GND) PA

LNA

Filtro

desmodulador

fref

PLL

Antena

RF switch

(6.3.3)

Vdd

Receptor

- Blocos:

Receptor de RF

(1) LNA: o primeiro andar por onde passa o sinal de RF captado - amplificar o sinal de RF sem degradar o SNR;

- sem distorcer significativamente o sinal à saída

(2) Desmodulador: converte o sinal RF no sinal desejado à saída do receptor - Requer ou NÃO um circuito misturador (produto analógico)

(4) Processamento na banda-base

- Efectuar ajustes no sinal desmodulado, por exemplo:

amplificação suplementar, filtragem, conversão analógica digital

(8)

- LNA:

Receptor de RF

(1) Impedância igual à da antena: facilita a adaptação

R_g

R₁

R₂

R₃

Z

_in

=R

_g

Z

_in

=1/(g

_m

+g

_mb

)

(9)

RF transceiver (6.4.7)

(6.4.6)

(6.4.5) (6.3.1)

(6.3.2) (6.4.6)

(6.3.4)

modulador

massa (GND) PA

LNA

Filtro

desmodulador

f_ref PLL

Antena

RF switch (6.3.3)

V_dd

Receptor

- LNA:

Receptor de RF

(1) Impedância igual à da antena: facilita a adaptação (2) Topologia de source comum

com degeneração indutiva:

- É a que torna mais fácil o

ajuste da impedância de entrada

Entrada

Saída

Ld

M2

M1 Lg

Cb

Ls V_bias

R_b

=50 Zin

s s

gs m gs

g

in

L sL

C g sL sC

Z   1  (

₁

) 

(3) Impedância de entrada vista dos terminais da gate

(10)

- LNA:

Receptor de RF

(2) Significados dos valores

- Cgs: capacidade parasita entre a gate e a source de M1 - gm1: transcondutância de M1

- Ls e Lg: ligam à source e à porta de M1

(a) o ajuste de {Ls,Lg} ajuda Zin a se tornar puramente real e igual a Zant.

Entrada

Saída

Ld

M2

M1 Lg

Cb

Ls V_bias

R_b

 in=50 Z

s s

gs m gs

g

in

L sL

C g sL sC

Z   1  (

₁

) 

(1) Impedância de entrada

 



 









) 50

( 1 0

1 ant

m gs

s

gs g

s

Z C g

L

sL sC sL

(3) “Receita” de adaptação:

- Pressupostos: Sabe-se Cgs e gm1

- Obtenção de Ls: EQUAÇÂO VERDE - Obtenção de Lg: EQUAÇÂO ROXA

(11)

- LNA:

Receptor de RF

(a) Largura óptima Wopt de M1 (=M2) para LNA :

Entrada

Saída

Ld

M2

M1 Lg

Cb

Ls V_bias

R_b

 in=50 Z

(1) Tamanho de M1 e M2

- Com consumo mínimo

- Com uma figura de ruído óptima

in ox C

opt f LC Z

W 6

 1

(b) Significados dos valores

- fC [Hz]: frequência de operação do LNA, - L [um]: comprimento do canal de M1,

- Cox [mF.m-2]: capacidade por unidade de área do óxido - Zin [oHm]: impedância de entrada do LNA

(2) “Receita” para dimensionar o LNA (a) Dados fC e Zin=50 : calcular Wopt

(b) Obter Cox [F.m-2], de M1, com Cox = OX/TOX (c) Obter Cgs [F]: Cgs=2/3W.L.Cox

(d) Polarizar M1 e obter gm1 (a partir de Vgs1 e Vgs2, i.e., a partir de Ids) (e) Obter Ls e depois Lg

(12)

Características dos LNAs conforme a topologia