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Microelectronics for communicationsUniversidad de Zaragoza

Centro de Diseñode ASICs Mixtos

Grupo de Diseño Electrónico

2

5. IF Amplifiers and Filters

Centro de Diseñode ASICs Mixtos

Santiago Celma

Intr

oduc

ción

Desarrollo y mejora de filtros HF/VHF totalmente integrados y sintonizables en un rango amplio

¿Qué demanda el diseño de CI analógicos?

Canales de lectura/escritura HDD

Secciones IF de receptores multiestándar

Intr

oduc

ción

¿Qué demanda el diseño de CI analógicos?

Canalesdelectura/escrituraHDD

SeccionesIFdereceptoresmultiestándar

Desarrollo y mejora de filtros HF/VHF totalmente integrados y sintonizables en un rango amplio

Filtrosentiempocontinuo

filtros HF/VHF

solución más económicaalto nivel de integración

û baja tensión de alimentaciónû mayores conductancias de salida

û crosstalk, etc.

entecnologíaCMOS

totalmente integrados

preserva la linealidadsimplifica la interfaz analógico

digitaldiseño mixto: uso del DSP

programablesdigitalm.

y sintonizables en un rango amplio

Objetivos preliminares

Intr

oduc

ción Consumo moderado

técnica gm-C

alta frecuencia

Sistemas en tiempo continuo

técnica MOSFET-C

Convector de Corriente

alta linealidad

Par diferencial degenerado

Frecuencia 1-100 MHzLinealidad, DR 60 dBSintonización ∼ 1 década

1. Introducción

2. El Convector de Corriente

3. El Transconductor: Celda activa básica programable

4. Sistemas basados en Amplificadores de Transconductancia

5. Conclusiones

Introducción: técnica Gm-C

Par diferencial degenerado

Revisión de topologías

PropuestaCelda activa básicaResistencia de degeneración

Resultados experimentales

Programabilidad

El Transconductor: CAB programable

Técnica gm-C

sCGsH m=)(

linealidad

sintonizabilidad Gm variable

simplicidad

lazo abierto

condensadores MOS a tierra

estruc. balanceadas

- degeneración de fuente- polarización adaptativa...

linealización

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

Par diferencial degenerado

Operación HFRggG

m

mm +=

1

Sintonización

( )32

3 11

321

RgVV

HDmod

p

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=Linealidad:

RgVPE

mod +=

112

Pero…Eficiencia consumo:

Características

Si gm >> 1/R Gm = 1/R

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

Estructura propuesta

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

RgRggG

mm

mm +

=+

=1

11

( )CTCGSC

ox VVLWC

R,,

12−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

=μ

α ≈ 1

RGm

α=

1mm gg =

Ω≤−= 5011

21 mmS gg

r

Realim.positiva

Sintonización

DEGENERADOPARMAX

PROPUESTOTRANSCMAX ff •≈ 30

.

Linealidad- Eficiencia con.

Resistencia de degeneración

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

( ) ( ) ( )[ ]...32

313

22

212211 +−+−+−= VVaVVaVVaKIC

( )LWCK OXμ

21

= ( )TQC VVVa −−= 21

( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ Φ−−+−= − 2

12 2

11 BBQ VVa γ

…

VD=VQ+V1(t)Vs=VQ+V2(t)

)(12

TQC VVVKR

−−=

V1(t)= -V2(t) VCM(t) =0

RGm

α=

asimetría, mismatching …

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+++= ...4

)()(3)(2)(2

32

321tVatVatVaatKVI d

CMCMdD

(1/2)Vd(t)+VCM(t) -(1/2)Vd(t)+VCM(t)

Resistencia de degeneración

Sintonización fina

)(2

tVVVVVV CMQCMDS

X +==+

=

VCM

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

P

CTHP

N

CTHNCMQC K

IV

KI

VtVVV +++++= )(

R independiente de VCM

◊ con control

∇ sin control

Gm = 70 μA/V

Insensibilidad distorsión VCM

Gm = 70 μA/V

◊ con control

∇ sin control

Topología propuesta

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

Transconductancia

RGm

α≈0

si12⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

LW

LW

P

N

μμ

α ≈ 1

( )CTCGSC

ox VVLWC

R,,

12−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

=μ

con

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

Respuestaenfrecuencia

( )( )ndd

Zmo

in

out

ssssssG

vi

/1/1/1++

+=

2

0

2

1CG

CRs m

Z ≈⋅

=

3

3

2

1 Cg

gR

Rs m

m

d

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

≈

Distorsión

( )2

2

3 11

321

RgVV

HDmod

p

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

+THDPDD

THDMOS 2233 )(2))(1(16

)( dsTQCSBB

efTQC

ef VVVVV

dVVV

HDHD⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−−++

−−++=

φγθ

θθ

γ

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able Ruido

RgGkTv m

mn 2

3162 =

Programabilidad

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

Sinton. discreta

Array MOS

000001011111

1:5

1:2

00001111

CM. Program.

4-bit 1:10

Sinton. fina1 MHz, 0.2 Vp-p input

Transconductor - Esquema

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

Transistor (W/L)(μm/μm)M1 8/0.5M2 30/0.5M3 10/0.4M4 3/0.35MP 6/0.5MN 22/0.5MC0 1.4/2MC1 1/2MC2 2/2MC3 3/2

Transconductor

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

fotografía

0 μ m

100 μ m

CMOS0.35μm,3.3Vpozon5‐metal,2‐poly

símbolo

control:3bits

Transconductor - Resultados

Parámetro Valor

Tecnología 0.35 μm CMOS

Tensión de alimentación 3.3 V

Programabilidad de Gm 78 μA/V – 624 μA/V

THD @ 1 MHz, 0.2 Vpp -60 dB todo el rango

Potencia 2.0 mW – 2.3 mW

Área activa 243 μm2

Ruido referido a la entrada (sim.) ‘000’‘111’

73 nV/√Hz21 nV/√Hz

El T

rans

cond

ucto

r: C

AB

prog

ram

able

1. Introducción

2. El Convector de Corriente

3. El Transconductor: Celda activa básica programable

4. Sistemas basados en Amplificadores de Transconductancia

5. Conclusiones

Filtros Gm-C

Integrador Gm-CSección bicuadrática

PGAs

Sistemas basados en AT

Integrador Gm-C

ganancia DCrOUT ↑ Ao ↑

Respuesta

Sist

emas

bas

ados

en

AT

Respuesta ideal inm

outout VsCGVV −=− −+

FaseΔΦ

Integrador – Compensación de fase

inm

outout VsCGVV −=− −+

Respuesta ideal Error en fase

Sist

emas

bas

ados

en

AT

Deff

oarctgωωπωφ −−≈

2)( 0 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

Z

arctgωω0( )osCR+1in

moutout V

sCGVV −=− −+

ResistenciaMOS

Integrador – Esquema completo

Compensación de fase

A(2)palabra2-bitCompl.

palabra3-bit A(3)

SintonizaciónSist

emas

bas

ados

en

AT

10 : 100 MHzCL=1pF poly-poly

ΔΦ (ωo) < 0.5 º

CMOS0.35μm,3.3V

Sección bicuadrática

Sist

emas

bas

ados

en

AT

Topología convencional

Topología considerada

Sección bicuadrática

B(3) C(3)A(3), A(2)

Sección LP - BP

Sist

emas

bas

ados

en

AT

CCC == 21

CGm

c =ω2m

m

GGQ =

m

mO G

GA 1=mmm GGG == 43

Sección bicuadrática, Q=1/√2

Sist

emas

bas

ados

en

AT

Parámetro Valor

Tecnología 0.35 μm CMOS

Alimentación 3.3 V

Rango de programación de fC 10 – 100 MHz

Variación de Q, A=011 0.36 – 3.10

Variación de ganancia, A=011 18 dB, incremento = 4 dB

THD=0.1%, 1MHz 0.5Vpp

DR @ 1 MHz, THD=0.1% >52 dB, todo el rango

Ruido refer. a la entrada (sim)‘000’‘111’

170 nV/√Hz36 nV/√Hz

Consumo estático 5.91 mW@100 MHz

Área activa 0.00473 mm2

Área de los condensadores 0.00378 mm2

LP‐ Resumenderesultados

Amplificadores de Ganancia Programable

Canales de lectura/escritura HDD

Secciones IF de receptores multiestándar

VGA:ajustedelaamplitudparaobtenerDRóptimo

‐ compatibilidadCMOS

‐ programabilidaddigital PGA

Sist

emas

bas

ados

en

AT

PGA - Esquema

Rdegvariable,RLconstante

RL=13 kΩ POLY

Sist

emas

bas

ados

en

AT

)2/( degRRRGGanancia L

Lm ⋅≈= α

PGA - Programabilidad

arraydetransistoresMOSdedegeneraciónconindep.delVCM

sintonizaciónfina

Sist

emas

bas

ados

en

AT

0000 00001 40011 8 dB0111 121111 16

array MOS4-bit

PGA – Esquema completo

Trans (W/L) (μm/μm)

M1 8/0.5

M2 22/0.5

M3 10/0.4

M4 3/0.35

Trans (W/L) (μm/μm)

MN 6/0.4

MP 22/0.4

MC 1.6/2

MC0 0.8/2

MC1 1.6/2

MC2 2.4/2

MC3 4/2

Sist

emas

bas

ados

en

AT

PGA - Resultados

Parámetro Valor

Tecnología 0.35 μm CMOS

Alimentación 3.3 V

Rango de ganancia – 4 bits 0-16 dB

Ancho de banda 120-150 MHz

THD@ 1MHz, 0.2 Vp-p out -60 a -75 dB

Ruido referido a la entrada (sim) 74 nV/√Hz

Tiempo de establecimiento (1%) <10 ns

Consumo 1.95 mW

Área activa (core) 325 μm2

Sist

emas

bas

ados

en

AT

CL=Cin siguienteetapa

1. Introducción

2. El Convector de Corriente

3. El Transconductor: Celda activa básica programable

4. Sistemas basados en Amplificadores de Transconductancia

5. Conclusiones

Revisión de las estructuras CMOS de convectores de corriente

Diseño de una nueva topología CMOS de CCII

Revisión de los transconductores diferenciales más significativos

Obtención de una versión del par diferencial degenerados para aplicaciones lineales en HF

Dotación de programabilidad digital

Filtros programables digitalmente mediante técnica Gm-C

Amplificadores de ganancia programable (PGAs)

Fabricación de prototipos integrados