Presentaci

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Microelectrónica de comunicaciones
Luis Quintanilla Sierra Departamento de
Electricidad y Electrónica E. T. S. I.
Telecomunicación, Universidad de Valladolid
2
Primera transmisión inalámbrica transoceánica
Marconi, 12 de diciembre de 1901
3
Primera transmisión inalámbrica transoceánica
10 de diciembre de 1909, Marconi recibe el premio
Nobel de Física
4
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, ...)

• Multimedia (video, )
• Tecnología UMTS/3G

• Otros
• Redes de uso doméstico TV vía satélite, ...
• Sistemas de posicionamiento global (GPS)
• Identificación/seguimiento por radiofrecuencia
  (RFID)

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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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Concepto de señal de radiofrecuencia
Señal en el dominio RF
Señal en banda base

• analógica/digital y
• espectro entorno a DC (f 0)

• analógica y
• modulada

La señal RF comienza a frecuencias tan bajas
como los 10 kHz !!
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Sistema de comunicaciones completodiagrama 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 la Comunicación modulación, algoritmos,
...
Realización del producto diseñadores de
circuitos, diseñadores de layout, ...
Desarrollo de herramientas CAD modelado
transistor, componentes pasivos, ...
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Espacio de diseño RF multidimensional
Ruido
Linealidad
Disipación de potencia
Ganancia
Diseño RF
Tensión de alimentación
Impedancias de entrada/salida
Rangos de tensión
Velocidad
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
Placas de circuito impreso

• 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
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Sistemas de comunicaciones realización innovadora
El concepto de System - on - Chip (SoC)

• Pequeño tamaño
• Bajo consumo de potencia
• Alto volumen de fabricación
• Bajo coste

Aplicaciones comerciales y de consumo
Tecnología de RF basada en el silicio
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Sistema de comunicaciones completo basado en SoC
Sistemas mixtos i) optimizar costes
y ii) compatibilidad entre los subsistemas
Realización en tecnología CMOS
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La tecnología de radiofrecuencia (I)
Tecnología de RF basada en CMOS convencional
innovaciones compatibles

• Evolución de la tecnología CMOS
• escalado de los dispositivos y
• escalado inverso de las interconexiones

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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
F T
Limitación en la tensión máxima de
alimentación !!
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Interconexiones de Al multinivel
Escalado inverso de las interconexiones Kleveland
, JSSC, 2001
Los diseños CMOS alcanzarán f gt 10 GHz
19
La tecnología de radiofrecuencia (II)
Tecnología de RF basada en CMOS convencional
innovaciones compatibles
Limitaciones inherentes al silicio

• pérdidas en el sustrato a frecuencias superiores
  a 1 GHz,
• interacciones indeseadas (crosstalk),
• acoplamiento térmico, ...

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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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Tecnología CMOS innovaciones compatibles (II)

• Mejora tecnológica metalización multinivel de Cu

• 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
FT gt 100 GHz NFMIN lt 0.5 dB _at_ 2 GHz
CMOS es un buen candidato para circuitos RF
Prestaciones
Integración
Coste
Tiempo en el mercado
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Diseño de sistemas Transmisores/Receptores
Jerarquía
Arquitecturas heterodino, homodino, ...
Bloques funcionales filtros, LNA, osciladores,
...
Circuitos
Componentes transistores, bobinas, ...
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Sistemas Transmisores/Receptores Arquitecturas

• Criterios de selección
• complejidad,
• potencia disipada,
• número de componentes
• externos,
• coste,

• Arquitecturas
• heterodino,
• homodino,
• rechazo de imagen,
• submuestreo, ...

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
ó 30 kHz en IS-54)
Transmisor
Receptor
Alta Selectividad banda/canal
Filtros con Q elevada
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Sistemas Receptores Rango Dinámico
Sistema AGC
100 mV
100 dB
Señal recibida
1 µV
Distancia al emisor, ...
Alta sensibilidad
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La idea clave translación de la frecuencia
Conversión hacia frecuencias inferiores
? RF ? LO
Señal de entrada
Mezclador
? IF ? RF - ? LO
Filtro RF
?RF
sintonizados
Frecuencia intermedia (IF), donde ?IF (ltlt ?RF) es
fija
?LO
Oscilador local
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Receptores heterodinos (I)
Heterodino mezcla de frecuencias diferentes (?
RF ? ? LO)
? RF ? LO
? IF ? RF - ? LO
Señal RF
Downconversion Mixing
Oscilador local
? LNA para amplificar la señal recibida sin
incluir ruido !
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Receptores heterodinos receptor digital (II)
Conversor de alta velocidad y amplio rango
dinámico
Procesamiento digital (con demodulación compleja)
Conversiones múltiples
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Receptores heterodinos desventaja (III)
Y El problema de la frecuencia imagen
Y Rechazo de la frecuencia imagen mediante
filtrado
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Receptores heterodinos limitación (IV)
Existen varios bloques no integrables
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Receptores homodinos (I)

• Homodino, de conversión directa o de IF-cero
• mezcla de frecuencias iguales (? RF ? LO)

Espectro en banda base

• Ventajas
• no existe frecuencia imagen y
• mayor facilidad de integración

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Receptores homodinos (II)
Comparación de arquitecturas en términos de
bloques no integrables
? Homodino
? Heterodino
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Receptores homodinos limitaciones (III)
Principales dificultades

• 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

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Descripción a nivel de circuito
Arquitecturas
Bloques funcionales
? LNA, ? mezclador y
? oscilador
Circuitos
Componentes
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Nuestras condiciones de contorno...
El mundo está loco, loco, loco, ...
En alta frecuencia, los condensadores se
comportan como bobinas, las bobinas como
condensadores, los amplificadores oscilan y los
osciladores se niegan a hacerlo.
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Amplificador de bajo ruido (LNA)
Primera etapa activa en el camino de la señal
Heterodino
Homodino

• Especificaciones
• Pequeña contribución al ruido (NFGSM lt 2 dB)
• Alta linealidad
• Proporcionar la ganancia adecuada (12 - 20 dB)

Configuración en fuente común
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LNA realizado en 0.25 µm CMOS Huang, JSSC, 1998
bobina externa
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 con el hilo de
conexión de los pads (L wirebond ? 1 nH/mm)
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LNA realizado en 0.25 µm CMOS Leroux, ISSCC,
2001
bobina integrada
bobina integrada
SUMMARY OF LNA MEASUREMENTS ? 0 / 2? 1.2
GHz Gain 20 dB Power 9 mW NF 0.79
dB Application GPS
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Descripción a nivel de componentes
Arquitecturas
Bloques funcionales
Circuitos
? transistores MOS y ? bobinas
Componentes (modelado y realización)
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Modelado de los transistores MOS
Modelos
Simuladores

• Para f lt 500 MHz, modelos de parámetros
  concentrados para
• transistores MOS BSIM3v3, Model 9, EKV.
• Para f gt 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

Incorporar estos efectos en modelos concentrados
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Modelado de transistores MOS en RF (I)
Circuito equivalente para f gt 1 GHz Enz, JSSC,
2000
Resistencia distribuida de 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 gt 1 GHz Tin, JSSC,
2000
Resistencia distribuida del sustrato ( f lt 10 GHz
)
Conclusión Efectos complejos con un modelado
simple (f lt 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

Circuito equivalente
Descripción geométrica
Autoinducción (son habituales errores del 20)
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Integración monolítica de bobinas en Si
Mecanismos de pérdidas
pérdidas resistivas
pérdidas capacitivas
pérdidas inductivas
Geometrías que tienden a la forma circular
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Aumento de Q estrategia conservadora (I)
Escalado inverso de las interconexiones
Metalización multinivel de Al
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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).
50
Aumento de Q estrategia innovadora (III)
Metalización multinivel de Cu
51
Aumento de Q estrategia innovadora (IV)
Utilización de sustratos alternativos

• Sustratos de Si de alta resistividad (100 1000
  O x cm)
• Estructuras SoI/SoS y SIMOX

• ? Ejemplo
• L 80 nH _at_ 1 GHz
• (con metalización de Cu)

(10 ? x cm)
52
Aumento de Q estrategia innovadora (V)
Micromecanizado en volumen bobina
suspendida Sun, Microw. Symp., 1996
53
Aumento de Q estrategia innovadora (VI)
Trinchera basada en cavidades Rofougaran, JSSC,
1998
54
Encapsulado del circuito integrado
Circuito equivalente del encapsulado
conexión pad-pin
pin

• Comentarios
• existe un ancho de banda del propio encapsulado
  y
• su modelado debe incluirse desde las primeras
  etapas de diseño

55
Escalado del encapsulado del circuito integrado
Comparación de perfiles de distintos encapsulados
chip desnudo sobre el sustrato
56
Chip desnudo sobre el sustrato (I)
Conexión entre los pads del CI y las pistas del
sustrato
Desventaja efectos inductivos del hilo (L
wirebond ? 1 nH/mm)
57
Distorsión debida a los hilos de conexión
efectos inductivos indeseados
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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)
pasivos

• Características
• componentes pasivos de alta calidad
• circuitos integrados montados con
• tecnología flip-chip

sustrato de vidrio

• Ejemplo Bloque RF de un receptor a 5 GHz para
  WLAN
• Diels, Trans. Advanced Packaging, 2001

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Ejemplo de receptor heterodino
Receptor para PCS1900 Abou-Allam, JSSC, Octubre
2001
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)
A nivel de circuito

• Componentes (activos y pasivos)
• caracterización y
• modelado en RF
• Sustrato
• mayor aislamiento y
• modelado de los efectos de acoplamiento
• Mejores herramientas de diseño en RF

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Los retos para los próximos años (II)
A nivel de sistema

• Diseño del sistema en conjunto, considerando
• sus bloques funcionales
• Maximizar el número de bloques de tipo digital
• (conversores A/D y D/A!)
• Utilizar SiP e incluir el modelo del encapsulado
• Optimización de la caracterización y verificación
• Comprensión completa de los standard