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Progettazione a RadioFrequenza

D.Zito, 19-20 Maggio 2003

D. ZitoProf. B. Neri

Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione:

“Seminario d’Introduzione alla

Progettazione a Radiofrequenza e Simulatori”

- Parte 1

Sommario

• Introduzione alla Progettazione RF

• Progettazione di Front-end RF

Simulazioni Elettromagnetiche

Tecnologie e CAD Tools

Low Noise Amplifier (LNA)

Mixer

• Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz

• Riepilogo e Conclusioni

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Introduzione alla Progettazione RF

• Aspetti Generali

• Concetti di Base

Linearità

Noise Figure

• Architetture

Eterodina

Omodina

Aspetti Generali (1)

• Multidisciplinare

• Trade-Offs

• Design Tools: General to Special Purpose

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Aspetti Generali (2)

• Analogici

• Digitali

Concetti di Base: Linearità (1)• Armoniche

• Punto di Compressione a 1dB: CP1dB

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Concetti di Base: Linearità (2)

• Intermodulazione

• Intercetta 3° Ordine: IP3

Concetti di Base: Noise Figure (1)

• Noise Figure (NF)

Ga NiNu NF log10=

SiSuGa =NuSu

NiSiNF//log 10=

• Sorgenti di Rumore

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Concetti di Base: Noise Figure (2)

• NF per 2 stadi in cascata (formula di Friis)

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1

1T

NFNF NF Ga

−= +

• Rumore riportato in ingresso

Architetture: Eterodina (1)

Reiezione Immagine

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Architetture: Eterodina (2)

• Eterodina a Doppia Conversione

Selectivity

Sensitivity

Architetture: Omodina

Mutua Interferenza: RF – Oscillatore Locale

LO Leakage e I/Q Mismatch

Rumore Flicker

Assenza Segnale Immagine

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Sommario

Introduzione alla Progettazione RF

• Progettazione di Front-end RF

Simulazioni Elettromagnetiche

Tecnologie e CAD Tools

Low Noise Amplifier (LNA)

Mixer

• Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz

• Riepilogo e Conclusioni

Simulazioni Elettromagnetiche• Aspetti Generali

Approccio Elettromagnetico

Chip Packaging

• Simulatori

• ASITIC

Induttori

Trasformatori

• MicroWave Office

• HP HFSS (High Frequency Structures Simulator)

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Approccio Elettromagnetico• Parametri Distribuiti

• Interazione Elettromagnetica

Chip Packaging (1)

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Chip Packaging (2)TQFP48

Chip Packaging (3)TQFP44

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Simulatori Elettromagnetici• Approccio Numerico

Time Domain (TD)

Frequency Domain (FD)

• Metodo Analitico

Momenti (FD)

Elementi Finiti (FD)

Differenze Finite (TD)

• Geometrie

2D

2D e ½ (ASITIC, MicroWave Office)

3D (HP HFSS)

ASITIC: Flessibilità• 4 Descrizioni

Geometrica Elettrica

Circuitale Fisica

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ASITIC: Organizzazione

ASITIC: Segmentazione

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ASITIC: Technology File

CMOSBipolare

• File Testo e Descrizione Fisica

ASITIC: Spirals (Editing)

High Q

LayoutWT

DLR ρ=

Q ZZ

L

L=

Im( )Re( )

Im 2 LZL fπ

=

σµπδ

f1=

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ASITIC: Eddy Current

Ground Pattern

Legge di Lenz

ASITIC: Shunt and Symmetric Spirals

Symmetry

High Q

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ASITIC: Planar and Symmetric Transformers

Symmetry

High Q

ASITIC: Semplice Sessione

Segmento di Techfile

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Square Spiral (1)

Square Spiral (2)

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Square Spiral (3)

Coupling (1)

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Coupling (2)

Coupling (3)

18

Coupling (4)

Multi-Layers Spiral (1)

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Multi-Layers Spiral (2)

Multi-Layers Spiral (3)

20

Square Planar Transformer (1)

Square Transformer (2)

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MicroWave Office: Finestra Principale

MicroWave Office: Grafica

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HP HFSS: Finestra Principale

HP HFSS: Meshing

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Sommario

Introduzione alla Progettazione RF

• Progettazione di Front-end RF

Simulazioni Elettromagnetiche

Tecnologie e CAD Tools

Low Noise Amplifier (LNA)

Mixer

• Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz

• Riepilogo e Conclusioni

Tecnologie: Cut-Off Frequency (fT)

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Tecnologie: Gain-Noise

Tecnologie: IP3-Power

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CAD Tools: Analisi Tradizionali

• DC

• AC (Lineare)

• Transitoria (Non Lineare)

• Sweep (Parametrica)

• Temperatura

• MonteCarlo

• Corner Analisys (Worst/Typical/Best Case)

• Sensitivity

CAD Tools: Special Purpose

• Analisi Tradizionali

• S-Pameters (Lineare)

• Periodic Steady State (Non Lineare)

Harmonic Balance (ADS)

Shooting (SpectreRF)

• Ottimizzazione

• Piattaforme Software: Design Entry to Layout

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Principali Tool

• ADS (Advanced Design Systems) - Agilent Technologies

Finestra principale

Analisi

Grafica

• Cadence Design Framework – Cadence

Finestra Principale

Grafica

Simulatore Analog Artist (SprectreRF)

Analisi

ADS: Finestra Principale

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ADS: Analisi

ADS: Grafica

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Cadence: Finestra Principale

schematic

symbol

layout

extracted

Cadence: Grafica

Analog Artist

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Simulatore: Analog Artist (Spectre RF)

Cadence: Analisi

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SommarioIntroduzione alla Progettazione RF

• Progettazione di Front-end RF

Simulazioni Elettromagnetiche

Tecnologie e CAD Tools

Low Noise Amplifier (LNA)

Mixer

• Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz

• Riepilogo e Conclusioni

Low Noise Amplifier (LNA)• Input Matching

• Noise Figure (NF)

• Scelta della Configurazione

• Guadagno

• Linearità

Punto di Compressione (CP1dB)

Intercetta del 3° Ordine (IP3)

• Stabilità

• Topologia Base Coupled Differential (BCD)

• LNA Selettivo Integrato: Boot-Strapped Inductor

• Parametri Tipici

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Input Matching

• ZS= RS = ZNFopt = ZI

Input Matching e Noise Figure

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Input Matching e NF: Flusso di Progetto

• Test NF Minima

• Scelta del Numero di Transistori (RON, Area, PDMAX )

• Calcolo della Induttanza di Degenerazione

Input Matching e NF: NFMin (1)

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Input Matching e NF: NFMin (2)

Input Matching e NF: NFMin (3)

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Scelta della Configurazione

• Noise Figure

• Guadagno

• Limite Superiore di Banda

• Differenziale

Linearità, Immunità ai Disturbi

Consumo di Potenza

• Input Matching

Cascode: Best Trade-Off

Scelta della Configurazione: Cascode Differenziale

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Schema di Simulazione

Input Matching: Zin (1)

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Input Matching: Zin (2)

Input Matching: NF (1)

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Input Matching: NF (2)

Guadagno: AV (1)

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Guadagno: AV (2)

Linearità: CP1dB (1)

Input Port PSS Analisys

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Linearità: CP1dB (2)

Run Simulation

Linearità: CP1dB (3)

1a Armonica

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Linearità: CP1dB (4)

Linearità: IP3 (1)

Input Port PSS Analisys

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Linearità: IP3 (2)

Run Simulation

Linearità: IP3 (3)

Armonica da Intermodulazione

1a Armonica

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Linearità: IP3 (4)

Stabilità: Analisi Transitoria (1)

Vout (t)

Run Simulation

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Stabilità: Analisi Transitoria (2)

Vout (t)

Stabilità: Incondizionata

• Fattore di Stabilità

1, 1 Incondizionatamente StabileK ∆ ⇒≺

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Analog Artist: Calculator (1)

Bandwidth

DFT

Overshoot

Gain Margin

Xmax

Ymax

…

…

Analog Artist: Calculator (2)

RF

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RiepilogoIntroduzione alla Progettazione RF

• Progettazione di Front-end RF

Simulazioni Elettromagnetiche

Tecnologie e CAD Tools

Low Noise Amplifier (LNA)

Topologia BCD

LNA Selettivo Integrato

Mixer

• Front-End Multi-Standard per WLAN 5-6 GHz

• Riepilogo e Conclusioni