Diseño de Switches para Aplicaciones de RF

Capítulo 1

Introducción.. 7

1.2 Características de los Switches .. 9

1.3 Implementación de Switches .. 10

1.4 Topologías de Switches .. 11

1.5 Switches con Transistores MOS .. 15

1.6 Técnicas Empleadas en Swicthes T/R .. 17

2: Definición de Parámetros .. 21

2.1 Pérdidas de Inserción .. 21

2.2 Pérdidas de Aislamiento .. 22

2.3 Linealidad .. 23

2.4 Punto de compresión 1 dB .. 23

2.5 Intermodulación .. 24

2.6 Figura de Ruido.. 26

2.7 Excursión de la Tensión de Salida. .. 27

2.8 Velocidad de Conmutación ..28

Capítulo 3: Modelado de Dispositivos Integrados 90nm .. 29

3.1 Modelado de Transistores MOS .. 29

3.2 Determinación de Modelos de los Transitores de RF .. 32

3.3 Extracción de Parámetros de Switches en Serie .. 37

3.4 Extracción de Parámetros de Switches en Paralelo .. 40

3.5 Modelado de Resistencias de Polisilicio .. 42

3.6 Modelado de Condensadores MIMS .. 46

Capítulo 4: Modelado de Switches.. 51

4.1 Switch entre dos Puertos .. 51

4.2 Switch con Transistor nMOS bulk ..54

4.3 Switch con Transistor nMOS Triple well .. 66

4.4 T/R Switch Ideal ..70

4.5 T/R Switch con Transistores nMOS bulk ..74

4.6 T/R Switch Serie-Paralelo Ideal .. 78

4.7 T/R Switch Asimétrico .. 80

4.8 T/R/LB Switch Ideal ..84

4.9 Diseño T/R/LB Ideal .. 88

4.10 T/R/LB con Transistores MOS triple well .. 91

Capítulo 5: Diseño de Switches .. 94

5.1 Especificaciones de Diseño. .. 94

5.2 Señales de Control. .. 95

5.3 Topologías de Switches Diseñadas .. 97

5.4 Topología Serie-Paralelo con Transitores nMOS bulk (snbcm) ..98

5.5 Topología Serie con transitores nMOS bulk (snbcms) .. 102

5.6 Topología Serie-Paralelo nMOS bulk (snbcmis) ..105

5.7 Serie-Paralelo con transistores nMOS triple well (sntcm) ..108

5.8 Serie con Transistores nMOS triple well (sntcms) .. 111

5.9 Serie-Paralelo con Transistores CMOS, nMOS bulk (scbcm) ..114

5.10. Serie con CMOS nMOS bulk (scbcms)..117

5.11 Serie-Paralelo con CMOS, nMOS Triple well. (sctcm) .. 120

5.12 Serie con CMOS, nMOS Triple well (sctcms) .. 124

5.13 Diseño con LB_test (suf) .. 127

5.14 Diseño con LB_test (sui) .. 132

Capítulo 6: Diseño de Bloques Auxiliares .. 137

6.1 Diseño de Lógica de Control .. 137

6.2 Diseño de Inversor y Buffer .. 141

6.3 Generador de Tensión de Modo Común .. 142

Capítulo 7: Comparación de Resultados y Conclusiones ..143

7.1 Comparación de Resultados .. 143

7.2 Concluiones .. 150

7.3 Futuras Investigaciones ..151

Anexo I: Funciones Matlab para cálculo simbólico .. 152

Anexo II: Balun ideal .. 154

Capítulo 1

Introducción 1.1

La Revolución Industrial (segunda mitad del siglo XVIII y principios del XIX) supuso una gran transformación socioeconómica, tecnológica y cultural en la humanidad. Su principal característica fue reemplazar el trabajo manual por la industria y la manufactura. La revolución comenzó con la mecanización de la industrial textil, la invención de la máquina de vapor, que permitío el desarrollo del ferrocarril que a su vez favoreció la mejora de las comunicaciones y por tanto la expansión del comercio.

La Revolución Industrial aumentó la cantidad de productos y disminuyó el tiempo en el que estos se realizan, dando paso a la producción en serie, se simplificaron tareas complejas en varias operaciones simples que podían ser realizadas por cualquier obrero sin necesidad de ser mano de obra cualificada, y de este modo se bajaron los costos de producción y se elevó la cantidad de unidades producidas bajo el mismo costo fijo. Este cambio suposo una serie de cambios sociales: se produjo una gran migración de la población que abandonó el campo y se trasladó a la ciudad, se desarrolló el capitalismo y nació la clase social proletaria.

La Sociedad de la Información, es vista como la sucesora de la sociedad industrial. Es la consecuencia de la evolución de la tecnología electrónica y de las telecomunicaciones, que ha hecho posible pasar en poco tiempo a una nueva sociedad, en la que el conocimiento tiene un lugar privilegiado en la socidad y en la cultura, de esto se desprenden que la creación, distribución y manipulación de la información forman parte estructural de las actividades culturales y económicas. En esta nueva sociedad prevalece el concepto de estar siempre conectado en cualquier lugar y en cualquier momento.

Esto requiere desarrollar dispositivos móviles de bajo peso, bajo consumo, que permitan ofrecer una gran autonomía, con capacidad de conexión inalámbrica: con alguna de las redes disponibles a su alcance (GSM, GPRS, WIFI, WiMAX, etc). La tendencia actual en el diseño de terminales móviles es la de integrar la mayor funcionalidad posible dentro de un mismo circuito integrado. Lo que nos lleva a que funciones que tradicionalmente se desarrollaban con dispositivos discretos, pasen a ser implementadas directamente en el mismo dado de silicio con el resto de los bloques funcionales del transmisor/receptor. Una de estas funcionalidades son los switches (conmutadores) empleados en los transmisores/receptores que comparten la antena de emisión/recepción.

Por ejemplo, en un transceptor con tecnología TDD (Time Division Duplexing), que es una técnica muy utilizada en sistemas de comunicaciones inalámbricas, permite la transmisión y recepción deseñales de RF a través de una sola antena durante intervalos de tiempos distintos. En la Figura 1 se muestra un diagrama simplificado de un transceptor TDD. Figura 1: Esquema simplificado de un transceptor TDD.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

Cuando la señal de control tiene un nivel de tensión bajo, se está seleccionando el camino de transmisión. La señal procedente del transmisor es amplificada por el amplificador de potencia PA, y pasa a través del conmutador con dirección a la antena. Durante este periodo de tiempo la antena actuará cómo emisora. En este modo de funcionamiento el LNA (Low Noise Amplifier) permanecerá inactivo.

En los instantes de tiempo que la señal de control está en estado alto, se habilita el camino de recepción. Durante este tiempo la antena actúa como receptora, la señal de bajo nivel pasa a través del conmutador con dirección al amplificador de bajo ruido LNA. En esta configuración normalmente el amplificador de potencia PA permanecerá inactivo. Debe existir un buen aislamiento en el camino no seleccionado (alta impedancia) y bajas pérdidas de inserción (baja impedancia) en el camino activo.

Introduciendo técnicas de verificación y test en los terminales de usuario, se plantea la necesidad de disponer de conmutadores de tres caminos en la ruta de datos: uno para la transmisión, otro para la recepción y un tercero para realizar labores de test. Este último camino debe unir el transmisor con el receptor, preferiblemente dejando el puerto de la antena aislado. Este camino debe atenuar debidamente la señal del transmisor para adaptarla al rango de potencia de entrada del receptor. Por este camino se pueden aplicar una serie de vectores de test para comprobar que determinadas características del terminal están dentro de los rangos de diseño. Para poder seleccionar uno de los tres caminos de datos, necesitaremos al menos dos señales de control.

1.2 Características de los Switches

El rendimiento de los switches se caracteriza por las siguientes figuras de mérito:

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

Otras características que se deben tener en cuenta a la hora del diseño de los switches son:

Protección de los dispositivos activos frente a tensiones superiores a las dealimentación.

Degradación de las características con altas temperaturas.

Tiempos de conmutación (on/off).

Robustez frente a los desemparejamientos de los dispositivos.

Robustez frente a coeficientes de reflexión altos del puerto de la antena (comoconsecuencia de circuito abierto).

Una figura de mérito (FOM) para comparar diferentes implementaciones integradas de switches de RF se define mediante la expresión matemática.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

1.3 Implementación de Switches

Los switches de RF se pueden implementar con dispositivos electromecánicos (reles) o por conmutadores de estado sólido. Los conmutadores de estado sólido presentan una serie de ventajas respecto a los electromecánicos:

1.- Conmutación más rápida y por lo tanto menor tiempo de conmutación

2.- Mayor durabilidad (reliability), al no disponer de elementos mecánicos que tienden a desgaste con ela utilización.

3.- Tamaño más compacto, fácilmente implementable en circuitos de alta escala de integración.

La técnica MEMS proporciona nuevos medios de integración de sistemas microelectromecánicos que permiten ser utilizados en el diseño de switches de RF. Entre los dispositivos de estado sólido utilizados para la implementación de conmutadores de RF nos encontramos:

PIN: Diodos (Positive Intrinsic Negative). Fabricados con tecnología ArGa.

HFET: Transistores Fet de alta electromovilidad. Fabricados con tecnologíaArGa y basados en la unión de dos materiales con diferente salto de energía.

Transistores CMOS. Fabricados con tecnología de Si.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

La tecnología de Si es más barata que la tecnología ArGa, además el resto de bloques del transceptor se pueden implementar en el mismo dado de silicio. En este trabajo nos centraremos en transistores CMOS de una tecnología de 90nm.

1.4 Topologías de Switches

1.4.1 Topología Serie T/R Switch SPDT

Esta es la topología más simple para conmutar la señal de un transmisor/receptor con una antena compartida. Consta de un transistor M1 para el camino de transmisor y otro transistor M2 para el camino de recepción. Mediante una señal de control que se aplica a las puertas de los transistores MOS determinaremos el estado de corte o conducción de los mismos, habilitando o deshabilitando el camino de transmisión o recepción.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

Por ejemplo, cuando la señal de control Vc tiene un valor de tensión alta (en relación con la tensión umbral Vth), el transistor M1 estará activo, permitiendo el paso de la señal desde el bloque del transmisor a la antena. La señal que controla al transistor M2 está invertida en relación a la señal de control de M1. Por lo tanto, la señal de control en la puerta de M2 tendrá un nivel de tensión bajo. En este modo de operación el transistor M2 estará en corte. Bajo esta condición el camino desde la antena al receptor estará deshabilitada. En la Tabla 2 se resumen los modos de funcionamiento, señales de control y estado de los transistores.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

En el diseño de esta topología de switch se suele escoger el tamaño de los transistores M1=M2 . Asumiendo que los caminos de transmisión y recepción serán simétricos.

1.4.2 Topología Serie-Paralelo T/R Switch SPDT

La Figura 4 muestra un conmutador en configuración serie-paralelo SPDT T/R Switch.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

Transmisor/ReceptorSerie-Paralelo de doble camino y polo simple. Los transistores M1 y M2 implementan el núcleo del conmutador T/R switch. Los transistores M3 y M4 se utilizan para derivar a tierra la señal no deseada del camino que no está activo. Por ejemplo, cuando está activo el camino de transmisión (M1on) el transistor M2 estará en corte, presentando unas pérdidas de aislamiento entre el puerto de Antena y el puerto de recepción. Para mejorar el aislamiento se activa el transistor M4, que presentará un camino de baja impedancia a la señal indeseada de transmisión en el puerto de recepción. En este modo de funcionmiento el transistor M3 deberá estar inactivo.

La Tabla 3 muestra en resumen los modos de funcionamiento, señales de control y estado de los transistores para esta topología de switch.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

En el diseño de swicthes con esta topología, se suelen dimensionar los transistores M1=M2 y M3=M4. Los transistores en parelelo (M3=M4. ) suelen tener un tamaño mitad que los transistores en serie. En comparación con la configuración en serie SPDT T/R switch, esta configuración aumenta el aislamiento (en torno a 20dB) entre los puertos no activos a costa de aumentar las pérdidas de inserción del puerto activo, especialmente en altas frecuencias.

1.4.3 Topología Asimétrica

Debido a la diferencia de requerimientos de los caminos de transmisión y recepción: niveles de potencia, linealidad, etc. Se modifica la configuración de la tolopogía serie-paralelo según se muestra en la Figura 5. Se ha sustituido el transistor M2 en el camino de recepción por un bloque de impedancia variable y se ha eliminado el transistor M3 (en derivación) en el camino de transmisión.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

La impedancia escalonada se basa en la diferencia de impedancia que muestra un circuito RLC serie y un RLC en paralelo. En un circuito LC en serie la impedancia a la frecuencia de resonancia (wo) es cero, mientras que si el circuito LC está en paralelo, la impedancia vista entre sus extremos a la frecuencia de resonancia (wo) es infinita.

[Gráficas y tablas no están incluidas en la muestra de lectura.]

En la Figura 6 se puede ver un esquema de una impedancia variable en función del estado del transistor M. Cuando M está en corte el circuito equivalente corresponde a un circuito L-C2 en serie (a wo-Z=), mientras que si M está activo se establece un circuito de resonancia en paralelo L-C1. El factor de calidad de la inductancia L determina el rendimiento y ancho de banda de la impedancia escalonada. Esta topología presenta el principal inconveniente de necesitar inductancias integradas con el consiguiente coste de área de silicio.

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