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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)
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Coupling (4)
Multi-Layers Spiral (1)
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Multi-Layers Spiral (2)
Multi-Layers Spiral (3)
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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