Projeto de Circuitos Wireless

Transcrição

1 Projeto de Circuitos Wireless PDT & I TI e Instituto do Milênio Coordenador: Prof. Wilhelmus Van Noije Apresentação: Dr. João Navarro (LSI-PSI/EPUSP) Apoio CNPq e FAPESP

2 I. Introdução Circuitos Wireless: transmissão de dados via RF Wireless: transmissão de dados via RF (radio freqüência). O número de aplicações tem crescido bastante nos últimos anos: h celulares; hredes locais de computadores; h redes domésticas; h sistemas pessoais de segurança. O grupo de projeto tem atuado na área de Circuitos RF na tecnologia CMOS maio/2003 SIIAM 2

3 Conteúdo da Apresentação hi. Introdução hii. Circuitos Transceptores hiii. Objetivos hiv. Blocos Importantes hv. Atividades Desenvolvidas hvi. Conclusão maio/2003 SIIAM 3

4 Heterodino II. Circuitos Transceptores (transmissor/receptor) LNA Mixer Mixer Demodulador Antena Filtro de Entrada (seleciona banda) Rejeição da Imagem Oscilador Local (F RF ) Filtro seletor de canal Oscilador Local (F I ) Filtro seletor de canal PA Filtro de saída buffer Mixer 90 Oscilador local D/A D/A D/A D/A I s(t)cosφ Q s(t)senφ Processamento Processamento digital digital saída entrada maio/2003 SIIAM 4

5 Detalhes do receptor Heterodino Banda desejada F I Imagem F RF F I Canal desejado F RF F I Antena LNA Rejeição da Imagem Mixer Filtro seletor de canal Mixer Filtro seletor de canal Demodulador Filtro de Entrada (seleciona banda) F I Oscilador Oscilador Local (F RF ) Local (F I ) F RF F I Os filtros de rejeição e de seleção de canal exigem indutores com alto fator de qualidade. Normalmente são externos. maio/2003 SIIAM 5

6 h h A implementação de de circuitos transceptores tem tem sido sido feita feita com com tecnologias de de Arsenetode de Gálio ou ou Bipolar. os os transistores nestas tecnologias têm têm a freqüência de de corte maior facilitando o uso. uso. LNA Mixer Mixer Demodulador Filtro de Entrada (seleciona banda) Rejeição da Imagem Implementação Implementação em de canal em AsGa AsGaou ou Bipolar Oscilador Bipolar Oscilador Local (F RF ) Filtro seletor Local (F I ) Filtro seletor de canal PA Filtro de saída buffer Mixer 90 D/A D/A Oscilador local DoisCIs e filtros externos D/A D/A I s(t)cosφ Q s(t)senφ Implementação Implementação em saída em Processamento CMOS Processamento CMOS digital digital entrada maio/2003 SIIAM 6

7 Banda desejada Conversão direta (transceptores) Canal desejado Mixer Filtro seletor de canal Amplificador F RF Antena Filtro de Entrada (seleciona banda) LNA PA Filtro de saída Oscilador 90 Demodulador local buffer F RF Mixer 90 D/A D/A Oscilador local D/A D/A I s(t)cosφ Q s(t)senφ Processamento Processamento digital digital maio/2003 SIIAM 7 F RF CI saída entrada

8 Tecnologias CMOS Hoje: mais que 75% dos circuitos semicondutores são fabricados com CMOS. CMOS-vantagens menor custo (???); maior nível de integração; menor consumo de potência. FUTURO (CMOS)? extrapolações feitas no National Roadmap for Semiconductors (NTRS) produzido pelo SIA, NTRS2001: maio/2003 SIIAM 8

9 Ano do início de produção linhas densas (DRAM half pitch) (nm) linhas isoladas (gates de microprocessador (L)) (nm) área do chip (mm 2 ) DRAM Funções por chip DRAM(Gbits) 0,54 1,07 2,15 4,29 8,59 34,36 68,72 área do chip (mm 2 ) microprocessador Funções por chip processador (Mtransistores) Total de packge Pins/Balls (ASIC alta performance) freqüência on-chip-local (alta performance) (MHz) Max. número de níveis de metal número mínimo de máscaras V DD para lógica (V) 1,1-1,2 1,0-1,1 0,9-1,0 0,7-0,9 0,6-0,8 0,5-0,7 0,4-0,6 dissipação de potência (alta performance) (W) dissipação de potência (equipamentos c/ bateria) (W) ,4 2,8 3,2 3,5 3,0 3,0 3,0 maio/2003 SIIAM 9

10 Conversão direta + CMOS Vantagens Filtro de Entrada (seleciona banda) F RF LNA menor circuito, consumo de de PA potência e custo; mais confiável. Desvantagens Filtro de saída Mixer Oscilador 90 Demodulador local buffer problemas com com DC; DC; maior dificuldade para projeto. Filtro seletor de canal Amplificador C.I. Contendo C.I. Contendo todo o circuito transceiver todo F RF o circuito Mixer 90 F RF D/A D/A Oscilador local D/A D/A I s(t)cosφ Q s(t)senφ saída Processamento Processamento digital digital entrada conteudo maio/2003 SIIAM 10

11 III. Objetivos: implementação de circuitos trasnceptores completos em CMOS hestudo de topologias existentes para transceptores; hestudo e implementação dos blocos básicos: LNA, PA, mixer, osciladores, filtros, etc.; hintegração de transceptores completos h Escolha de de aplicações; huso de de topologias simples para evitar conversores e necessidade de de processamento digital intensivo. huso de tecnologia CMOS 0,35µm e freqüência de 2,4 GHz. maio/2003 SIIAM 11

12 IV. Blocos Importantes 1. Indutores são necessários para a construção de filtros de alta freqüência. Também são usados para casamento de impedância e como carga pois não adicionam ruído. Tecnologias CMOS convencionais são desenvolvidas para implementar de de modo eficiente transistores; permitem a fabricação de de resistores e capacitores com nenhuma ou ou poucas modificações; os os indutores possíveis apresentam baixo fator de de qualidade (Q (Q em torno de de 5). 5). maio/2003 SIIAM 12

13 Implementação de indutores Implementação de indutores Indutores nonocamadas baixa indutância (da ordem de de dezenas de de nanohenrys); apresentam capacitâncias e resistências parasitas reduzindo o fator Q. Q. maio/2003 SIIAM 13

14 Indutores com múltiplas camadas reduz a resistência série e aumenta o Q. Q. aumenta as as capacitâncias parasitas Indutores ativo alto Q; Q; aumentam ruído; aumentam distorção. maio/2003 SIIAM 14

15 2. amplificadores de Baixo Ruído (LNA) - o amplificador deve fornecer ganho satisfatório com baixo nível de ruído, de forma que não comprometa a taxa de erro do circuito. v IN 14 ma v B 3,4 nh v DD 6,2 nh v RF 120/ 0,35µm 290/ 0,35µm 1,6 nh Características a entrada deve ter impedância casada; recebe sinais muito pequenos em v IN IN (micro volts); utiliza vários indutores (para casamento e para carga). transceptor maio/2003 SIIAM 15

16 3. mixer - faz a conversão da freqüência, realizando a multiplicação de dois sinais (RF a ser convertido e LO proveniente do oscilador local). Consiste de um transcondutor linear, podendo ser ativos ou passivos. 1 ma v DD v LO v RF Mixer ativo 1 KΩ 30/0,35µm 100/0,35µm Características não apresenta tantos problemas de de ruído; não utiliza indutores; cuidados com distorção. transceptor maio/2003 SIIAM 16

17 4. oscilador Gera um sinal periódico, com boa precisão e baixo ruído de fase, para ser usado na conversão da freqüência; 3,1 nh v DD I DD 2 ma Características deve apresentar baixo ruído de de fase; utiliza indutores; deve ter a freqüência controlável para ser utilizado em phase looked loops (PLL) D 2 D 1 v CONT 100/0,35µm transceptor maio/2003 SIIAM 17

18 5. amplificadores de potência (PA) - o amplificador que deve fornecer ganho e potência satisfatórios para que o sinal transmitido tenha o alcance desejado; v DD RFC 55 maef (Externo) 4,2 nh 2nH Características deve fornecer alta potência (1W para celulares); utiliza indutores externos; alta potência é bastante dificil para tecnologias CMOS v OUT v IN 0,2 p F 2,2 p F 0,6 p F 450/0,35µm transceptor maio/2003 SIIAM 18

19 6. filtros filtros passa baixa e passa banda, que selecionam os sinais a serem demodulados/modulados (a complexidade dos filtros depende do tipo de modulação/demodulação sendo usado) 7. conversores A/D: transformam o sinal analógico que foi demodulado em sinal digital para posterior tratamento; (aparecem apenas nos circuitos demoduladores mais sofsiticados. O número de bits e a freqüência de amostragem dependem do demodulador) 8. conversores D/A transformam sinais digitais em analógicos para a transmissão; (aparecem apenas em alguns circuitos moduladores) 9. circuito para o processamento digital do sinal. (podem ser implementado com DSPs, processadores ou hardware específico) conteudo maio/2003 SIIAM 19

20 V. Atividades Desenvolvidas hforam feitos estudos sobre dispositivos indutores passivos (1 (1 doutorado, Dr. Luis Carlos Moreira) hestão sendo implementados circuitos LNA, Mixer, PA, Osciladores e Sintetizadores de de Sinais para 2,4 GHz (cinco mestrandos, ElKimF. F. Roas Fuentes, Ruben D. D. Echavarria Ciuentes, Eduard E. E. Rodriguez Ramirez, Andres Farfan Pelaez e Angel M. M. Gomez Arguello); hcomeçam a ser analisados conversores, filtros e circuitos para processamento digitais (( 1 doutorando, Gustavo A. A. Cerezo Vasquez, e três mestrandos, Marcelo F. F. Basílio, Claudia Almerindo de de Souza e Hae Eun Park); hestão sendo feitos estudos para integração de de um primeiro protótipo transmissor/receptor. maio/2003 SIIAM 20

21 LNA LNA + Mixer Mixer + Oscilador Oscilador 3700µm Amplificador Amplificador de de potência potência Mixer Mixer + Oscilador Oscilador Oscilador Oscilador LNA LNA Estruturas Estruturas de de t testes implementada implementada em em tecnologia tecnologia CMOS CMOS 0,35µm 0,35µm Sintetizador Sintetizador de de sinais sinais Mixer Mixer 2600µm maio/2003 SIIAM 21 conteudo

22 VI. Conclusão Objetivos: implementação de circuitos trasnceptores completos em CMOS Formação -- formar novos pesquisadores com com capacidade de de pensar e de de inovar. Pesquisa --unir unir os os esforços de de diversos pesquisadores do do departamento; contatos futuros outros grupos Prestação de de Serviços utilizar os os resultados para aplicações. Atividades: Implementação de de blocos (sendo executada) Integração (início) Aplicações maio/2003 SIIAM 22