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Diseño de un filtro polifásico para un receptor IEEE
802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm
TITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN
AUTOR: DANIEL MAYOR DUARTETUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ
DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
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DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 4
Esquema general de un receptor de RF
Cabezal de recepción
Introducción
Este proyecto
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Aparición de frecuencias imagen
Introducción
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Introducción Diferentes tipos de solución:
Filtro rechaza imagen
Estructuras basadas en multiplicadores activos
FILTRO POLIFÁSICO
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
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DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 8
ObjetivosDiseño de un filtro polifásico para el estándar IEEE 802.15.4 en la banda de 2.4 GHz de bajo consumo
Tecnología CMOS 0.18 μm (UMC)
Advanced Design System(Keysight)
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ObjetivosParámetros Especificaciones
Frecuencia central 2.5 MHz
Ancho de banda 3 MHz
Frecuencia canal adyacente ±5 MHz
Frecuencia canal alterno ±10 MHz
Rechazo canal adyacente 0 dB
Rechazo canal alterno 30 dB
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Objetivos1. FILTRO PASO BAJO PASIVO
2. FILTRO PASO BAJO ACTIVO
3. FILTRO POLIFÁSICO ACTIVO
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
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Teoría básica de filtrosFunción principal Rechazar todas las frecuencias menos la deseada
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Teoría básica de filtrosClasificación según el rango de frecuencias en el que operan:
Paso bajo
Paso alto
Paso banda
Elimina banda
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Teoría básica de filtrosClasificación según los componentes que la forman:
Pasivos No posee ningún elemento que amplifiqueEjemplos: Filtros LC y de microondaVentajas
Baja sensibilidad a las variaciones de los componentes No consumen potencia Alta frecuencia Aptos para tensiones y corrientes elevados Bajo ruido
Desventajas No dan ganancia Necesidad de inductores (Problemas con el área cuando se integra)
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Teoría básica de filtrosClasificación según los componentes que la forman:
Activos Emplean elementos que amplificanEjemplos: SC, RC y gm-CVentajas
Ganancia Impedancias ajustables Fácilmente integrables ( no poseen inductores)
Desventajas Frecuencia limitada Ruido debido a la circuitería
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Teoría básica de filtrosEfectos de segundo orden
DC offsets: Puede corromper las señales y saturar las etapas siguientes. Se puede compensar en caso necesario y afecta más a los filtros paso bajo
Ruido: Debe ser menor que el bit menos significativo del A/D
Distorsión: Producida de dos formas Por no linealidades en el filtro
Por intermodulación (IM)
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Teoría básica de filtrosRespuesta de las distintas aproximaciones
Butterworth (máximamente plano)
Chebyshev o de igual rizado
Chebyshev inverso
Bessel-Thompson
Elíptico igual rizado o Cauer
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Teoría básica de filtrosFiltro Butterworth
Respuestas planas en banda de paso
El orden del filtro corresponde al número de polos
Rechazo fuera de la banda de paso inferior al deotro tipo de aproximaciones
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
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Diseño del filtro paso bajo pasivo
Herramienta de diseño de filtros de ADS
Ancho de banda 1.5 MHz Rechazo en la banda de paso 3dB Frecuencia canal alterno
7.5MHz Rechazo en el canal alterno 30dB Impedancia de entrada 12KΩ Impedancia de salida 12KΩ
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Diseño del filtro paso bajo pasivo
Filtro pasivo resultante
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
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Topología Gm-CEstá basada en el uso de transconductores
Buena relación de compromiso entre:
Consumo
Ruido
Frecuencia de trabajo
Uso eficiente del ancho de banda
Formado por transconductores y condensadores
Idóneo para frecuencias intermedias
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Topología Gm-CResistencia simulada con OTAs
Integradores simulados con OTAs
𝑅=𝑉𝐼
𝑉 𝑜
𝑉 𝑖=𝑔𝑚𝑠𝐶
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Topología Gm-CGiradores simulados con OTAs
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Topología Gm-CFiltros de primer y segundo orden
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Topología Gm-CFiltros de orden superior
Dos formas de realizarlos :
Conectar varias estructuras de primer y segundo orden en cascada
Simulación de filtros pasivos en escalera (Laddder)
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
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Filtro activo paso bajo con OTAs idealesFiltro pasivo resultante
Girador a emplear
L
C1 = 8.8345 pF
C2 = 8.8345 pF
C = 10pF
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Filtro activo paso bajo con OTAs idealesFuente de corriente controlada por tensión ideal (OTA ideal)
Cálculo del valor de transconductancia
LC = 10 pF
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Filtro activo paso bajo con OTAs ideales
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Filtro activo paso bajo con OTAs idealesRespuesta del filtro pasivo vs. Respuesta de filtro activo con transconductores ideales
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología Gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
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OTA de NautaCaracterísticas principales:
Área reducida
Bajo consumo
Simétrico frente a los inversores quelo forman
No tiene nodos internos
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Metodología Gm/IdReducción de tamaño de los transistores
Disminuyen tensiones de alimentación
¿SOLUCIÓN? Gm/Id
Pérdida de ganancia
Disminución del rango dinámico
…
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Metodología Gm/IdFuncionamiento del transistor
Tres regiones: Corte:
Lineal u óhmica:
Saturación
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Metodología Gm/IdPor debajo de la tensión umbral corrienteno nula
Tres niveles de inversión Débil Fuerte Moderada
Necesidad de curvas para poder aplicar esta metodología en el modelado
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Metodología Gm/IdCircuito para extraer curvas del transistor tipo N
Circuito para extraer curvas del transistor tipo P
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Metodología Gm/IdCurvas del transistor tipo N
Curvas del transistor tipo P
𝐺𝑚𝐼𝑑
𝐼𝑑(𝑊 /𝐿 )
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Diseño del OTA realPara asegurar que trabaja en región moderada
Transistor Ancho (W) Longitud (L)
N 0.24 µm 0.36 µm
P 2.49 µm 0.36 µm
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Diseño del OTA realAvdc 43.53 dB
f3dB 6.31 MHz
gm 63 µS
ro 2.350 MΩ
Co 10.73 fF
pm 86.88º
Ci 23.21 fF
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Filtro paso bajo con OTAs reales
v
AMPLIFICADOR IMPEDANCIA BOBINA SUSTITUIDA IMPEDANCIA DE ENTRADA POR UN GIRADOR DE SALIDA
BALUN
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Filtro paso bajo con OTAs realesRespuesta en frecuencia y consumo
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
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Teoría de filtros polifásicos
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Teoría de filtros polifásicosFiltro paso bajo
Filtro paso banda complejo
Filtro paso banda
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Teoría de filtros polifásicos
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oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
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Filtro polifásico con OTAs idealesDesplazamiento en frecuencias de la respuesta del filtro
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Filtro polifásico con OTAs idealesCálculo de transconductancias de las ramas integradoras
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• Estas transconductancias vienen dadas por la expresión:
Donde: • fc= 2.5 MHz• C2=10 pF• C13= 8.8 pFPor lo tanto:• gm13= 157 µS• gm2 = 138 µS
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Filtro polifásico con OTAs ideales
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
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Filtro polifásico con OTAs realesAplicamos Gm/Id para dimensionar los transconductores de las ramas integradoras
Para gm13 = 138 µS
Para gm2 = 157 µS
Transistor Ancho (W) Longitud (L)
N 0.59 µm 0.3 µm
P 3.9 µm 0.3 µm
Transistor Ancho (W) Longitud (L)
N 0.67 µm 0.3 µm
P 4.43 µm 0.3 µm
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Filtro polifásico con OTAs reales
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Filtro polifásico con OTAs reales
Consumo de 1.38 mA
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Filtro polifásico con OTAs realesTécnica 1: Rediseñar los OTAs integradores
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Filtro polifásico con OTAs realesTécnica 1: Rediseñar los OTAs integradores
Consumo de 1.36 mA
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Filtro polifásico con OTAs realesTécnica 2: Simplificar ramas I y Q
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Filtro polifásico con OTAs realesTécnica 2: Simplificar ramas I y Q
Consumo de 0.85 mA
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 61
Receptor completo: Frecuencia intermedia
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Amplificador de bajo ruidoFunción: Amplificar y adaptar la señal de RF entrante aportando el mínimo ruido
Adaptación a la entrada a 50Ω
Figura de ruido
Ganancia
Linealidad
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Amplificador de bajo ruidoV c
Ld
C d
Ls
C e x
L g
M1
M2
C cR F in
V c tr
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MezcladorFunción: Desplazar la señal de RF de entrada a la frecuencia IF deseada
Frecuencia de RF : 2.4 GHz
Frecuencia de IF : 2.5 MHz
Frecuencia de OL : 2.3975 GHz
Frecuencia IF = Frecuencia RF ± Frecuencia LO
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Mezclador
LO -
LO -
LO -
LO -
LO +
LO +
LO +
LO +
I +
I -
Q +
Q -
C b p
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Amplificador de transimpedancia
Función: Amplificar la señal de corriente de entrada y proporcionar una señal de tensión en la salida
Compensa la ausencia de ganancia del mezclador
Dos TIAs: Uno para la rama I y otro para la Q
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Amplificador de transimpedancia
R 1
R 1
R 2
R 2
C
C
O ut +
O ut -
RR
RRR12
21ef
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 68
Amplificador de transimpedancia
R 1
R 1
R 2
R 2
C
C
O ut +
O ut -
O UT
IN
Vdd
M1P M2P
M1N M2N
SW 1 SW 2
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 69
Receptor
LNA Gain [dB]
TIA Gain [dB]
Rx Gain [dB]
Rx NF[dB]
4 1 6 43
18 1 20 28
4 24 29 25
18 24 44 10.3
Distintos modos de ganancia
70
NF y ganancia para toda la banda Figura de ruido para un canal
Resultados de simulación
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
71
Adaptación a la entrada Linealidad
Resultados de simulación
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
72
Respuesta en frecuencia
Resultados de simulación
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
73
Resultados de simulaciónConsumo de potencia
mW 4.334=PtotalLNA
TIA
TIA
I
Q
Rx
Cabezal derec epc ión
Filtro polifásic o
𝑃 𝐿𝑁𝐴=3.06𝑚𝑊 𝑃𝑇𝐼𝐴=0.084𝑚𝑊𝑃 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟=1.19𝑚𝑊
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ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 75
ConclusionesObjetivo: Obtener un filtro polifásico para el estándar IEEE 802.15.4 en 2,4 GHz usando la tecnología CMOS 0.18 μm. Debe estar centrado en 2.5 MHz y tener una ancho de banda de 3 MHz. Además el rechazo de imagen del receptor debía mayor de 20 dB.
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 76
ConclusionesParámetros Especificaciones Resultados
Consumo de potencia [mW] El menor posible 4.19
Ganancia del receptor [dB] >30 (FE)[-20,65] (BB)
44 (FE)--
Variación de ganancia [dB] 65 (FE + BB) 37 (FE)
NF [dB] <15.5 10.3
Rechazo imagen [dBc] >20 34
IIP3 [dBm]>-32 para máxima ganancia>-10 para ganancia mínima
0 para máxima ganancia--
Sensibilidad [dB] -85 -85
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 77
ConclusionesReferencia
[1](LNA+MIX+TIA+
PGA)
[2](LNA+MIX)
[4](LNA+MIX+PGA)
Este trabajo(LNA+MIX+TIA)
Tecnología CMOS [μm]
0.18 0.18 0.18 0.18
Ganancia [dB] 86 30 - 44
NF [dB] 8.5 7.3 <10 10.3
IIP3 [dB] -8 -8 >-15 0
Consumo de potencia [mW]
12.63 6.3 10.8 4.19
DISEÑO DE UN CABEZAL DE RECEPCIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 78
Conclusiones
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 79
Líneas futuras
Conclusiones
Diseño del circuito de regulación de tensión Layout del circuito y simulaciones post-layout Integración con el resto del transceptor Fabricación y medidas experimentales sobre
el chip
80
ÍndiceoIntroducción
oObjetivos
oTeoría básica de filtros
oDiseño de filtro paso bajo pasivo
oTopología Gm-C
oFiltro activo paso bajo con OTAs ideales
oOTA de Nauta y metología gm/Id
oTeoría de filtros polifásicos
oFiltro polifásico con OTAs ideales
oFiltro polifásico con OTAs reales
oReceptor completo y simulaciones
oConclusiones y líneas futuras
oPresupuesto
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM
BLOQUE 1
BLOQUE 2
BLOQUE 3
DISEÑO DE UN FILTRO POLIFÁSICO PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 EN TECNOLOGÍA CMOS 0.18 UM 81
PresupuestoConcepto Coste
Trabajo tarifado por tiempo empleado 4344,00 €
Amortización del material hardware 73,89 €
Amortización del material software 574,08 €
Redacción del trabajo 349,44 €
Derechos de visado del COITT 18,69 €
Gastos de tramitación y envío 6,00 €
Costes de material fungible 50,00 €
Subtotal 5.416,10 €
I.G.I.C. (7%) 379,13 €
TOTAL 5.795,23 €
Diseño de un filtro polifásico para un receptor IEEE
802.15.4 en tecnología CMOS 0.18 µm
TITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN
AUTOR: DANIEL MAYOR DUARTETUTORES: DR. D. FRANCISCO JAVIER DEL PINO SUÁREZ
DR. D. SUNIL LALCHAND KHEMCHANDANI