Capitulo 1 Introduccion Uriel Tesis

CAPÍTULO 1

1.1

INTRODUCCIÓN

MOTIVACIÓN

El simple hecho de ser seres humanos nos hace desenvolvernos en medios donde tenemos que estar comunicados. Por eso la gran importancia de la transmisión y la recepción de información, y en la época actual donde los sistemas sin uso de cables (sistemas inalámbricos) hacen parte de la cotidianidad, es necesario establecer medios de comunicación eficaces entre ellos. Una de las tecnologías más prometedoras y discutidas en esta década son los sistemas de comunicación inalámbricos. Las conecciones de sistemas mediante ondas de radio frecuencia (RF, Radio Frecuency, por sus siglas en inglés), actualmente están siendo ampliamente investigadas. Las redes inalámbricas facilitan la operación en lugares donde los sistemas que se comunican mediante cables no pueden permanecer en un solo lugar, se deben de resolver varios obstáculos técnicos y de regulación antes de que las redes inalámbricas sean utilizadas de una manera general (en los sistemas de comunicación de la actualidad). Si nos remontamos en la historia, encontramos que las comunicaciones inalámbricas comenzaron con: •

La postulación de las ondas electromagnéticas por James Cleck Maxwell durante el año de 1860 en Inglaterra.

•

La demostración de la existencia de estas ondas por Heinrich Rudolf Hertz en 1880 en Inglaterra.

•

La invención del telégrafo inalámbrico por Guillermo Marconi.

Durante la primera década del siglo XX, dos trayectorias de invención importantes empezaron a transformar la comunicación inalámbrica primitiva de la era de los puntos y rayas, en la comunicación del mundo contemporáneo. La primera, y potencialmente la más importante, se debe a John Fleming, a quien sin restricciones puede considerarse como el precursor principal de la electrónica y el inventor de la válvula inalámbrica.

CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN

TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

2

Lee de Forest, norteamericano experto en radio que eventualmente habría de lograr más de 300 patentes a su nombre. La más famosa de estas contribuciones fue convertir la válvula diodo de dos elementos de Fleming en la válvula tríodo. La válvula tríodo podía usarse para amplificar una corriente débil hasta hacerla fuerte. Se descubrió además, unos años después de que se produjeran los primeros triodos, que también podían utilizarse para la generación de corrientes. Esto facilitó el desarrollo de equipos transmisores y receptores para las comunicaciones inalámbricas, al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos; que realizaban las mismas funciones que el tubo de vació, pero un costo, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguiente en la tecnología de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado planar (IC, Integrated Circuit, por sus siglas en ingles). Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos transmisores y receptores más complejos. El rápido avance de la tecnología de los IC’s en estado sólido ha impulsado el crecimiento de los sistemas de comunicación inalámbricos desde el punto de vista comercial. La tecnología apunta hacia la fabricación de componentes de alto desempeño, baja potencia, geometrías pequeñas, bajo costo y alta eficiencia. El uso extendido de los IC’s en los sistemas inalámbricos ha ocasionado una necesidad de mejora significativa tanto de la confiabilidad como del desempeño de los equipos receptores. Estas tendencias han incrementado el uso de las técnicas de diseño de dispositivos y procesamiento de señales basadas en componentes de silicio. El escalamiento (cada vez con menor longitud de canal, debido a la Ley de Moore) de los procesos CMOS1 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, por sus siglas en inglés) ha forzado a los circuitos analógicos a utilizar niveles de voltaje cada vez más bajos para su polarización. El mercado actual de los equipos electrónicos de comunicación ha creado la necesidad de producir diseños con muy bajo voltaje de alimentación para mayor duración y 1

El transistor MOS en sí mismo es un transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor, por sus siglas en inglés), pero los circuitos integrados incluyendo a los amplificadores de etapa sencilla involucran más de un solo transistor y más de un tipo de transistor haciendo así la combinación de dispositivos y dando lugar a la tecnología CMOS (Complementay Metal Oxide Semiconductor, por sus siglas en inglés). Cuando en el presente trabajo se mencione transistor CMOS ó transistor MOS se estará haciendo referencia al mismo tipo de dispositivo y la misma tecnología.

DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO MULTIBANDA PARA APLICACIONES WIMAX

CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN

TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

3

portabilidad. Con la finalidad de satisfacer estos requerimientos, es necesario desarrollar técnicas novedosas que permitan a los circuitos operar a muy bajo voltaje de alimentación al mismo tiempo de satisfacer las especificaciones de velocidad. Las tendencias en miniaturización de dispositivos, las necesidades de comunicación cada vez más rápidas, con mayor portabilidad y con mayor durabilidad de los equipos en base al ahorro de energía asociado al diseño de sus componentes fundamentales, han propiciado una mayor demanda en la optimización de los diseños de los equipos de transmisión y recepción para las comunicaciones o sistemas de comunicaciones inalámbricas WiMAX.

1.2

JUSTIFICACION.

Los sistemas de comunicación inalámbricos utilizados en las redes WiMAX son imprescindibles todos los días, debido a sus múltiples aplicaciones. Uno de los componentes más importantes en los sistemas de recepción WiMAX es el amplificador de bajo ruido (LNA, Low Noise Amplifier por sus siglas en inglés). El LNA se encuentra en la primera etapa del receptor y es este el que determina en gran medida la sensibilidad de este y por tanto la calidad de la etapa receptora. Su función principal es la de vencer el problema de ruido para las etapas subsiguientes, proporcionando suficiente ganancia para hacer que la señal sea procesada. Debido al gran avance tecnológico en la minimización de los procesos de fabricación nos ha permitido reducir el tamaño de los IC’s. Aunado a ello, el voltaje de alimentación de los transistores MOS se ve decrementado, por lo que las baterías tienen más tiempo de durabilidad debido que los circuitos consumen menos corriente por lo tanto los sistemas tienden hacerse más portátiles. Actualmente, los esfuerzos en diseño se han enfocado para obtener un alto desempeño con bajos costos industriales. Por las razones anteriores se presenta este trabajo con el fin de que sirva como eje fundamental para obtener una metodología de diseño para su mejor optimización en el desempeño de LNA’s en aplicaciones para redes inalámbricas WiMAX. DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO MULTIBANDA PARA APLICACIONES WIMAX

CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN

1.3

TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

4

DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO.

En el trabajo práctico técnico se propone realizar el diseño de un LNA para WiMAX que opere a voltaje bajo, con alta ganancia, con bajos niveles de ruido en la banda de 2.3 a 2.7 GHz considerando la tecnología 0.25µm CMOS AMIS. En el capítulo l se presentan las principales motivaciones y razones del ¿por qué? el diseño de un LNA para aplicaciones WiMAX. Posteriormente en el capítulo II se vera a detalle los fundamentos básicos y parámetros fundamentales del LNA (figura de ruido, ganancia, ancho de banda, selectividad, linealidad, acoplamiento, etc.). para el desarrollo del diseño. Las diferentes técnicas de diseño, para encontrar la mejor selección del LNA y con ello obtener un correcto funcionamiento y su máximo desempeño a una frecuencia de operación de la banda de 2.3 a 2.7 GHz utilizando tecnología 0.25µ m CMOS AMIS son presentadas en el capítulo III. En el capítulo lV, se muestra el diseño, simulación y resultado del LNA propuesto. Esto se pretende conseguir mediante la presentación de una comparación de características y desempeño de diferentes tipos de LNA’s, que permitan tener una interpretación clara de la información presentada, para esto se usan diferentes técnicas de LNA para así poder seleccionar el LNA adecuado a las necesidades del estándar a satisfacer. Finalmente una discusión final del proyecto es presentada en el capítulo V.

1.4

OBJETIVO.

DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO MULTIBANDA PARA APLICACIONES WIMAX

CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN

TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

5

Diseñar un LNA que trabaje a una banda de frecuencias de 2.3 a 2.7GHz, que opere con una ganancia superior a los 15 dB, con figura de ruido por debajo de los 5dB, por lo que se requiere que el diseño del amplificador de bajo ruido que trabaje en este rango de frecuencias ó incluso las sobrepase en su operación en frecuencia siendo determinante los resultados de simulación. Se considerará el utilizar el proceso de fabricación 0.25μm CMOS TSMC basándose en la última versión publicada del modelo BSIM3. 1.4.1 •

OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Conocer los fundamentos básicos y los parámetros fundamentales de los LNA’s (Figura de ruido, Ganancia, Ancho de banda, Selectividad, Acoplamiento).

•

Identificar las diferentes técnicas de diseño para la construcción de LNA’s.

•

Analizar las ventajas y desventajas de las diferentes técnicas de diseño de LNA’s.

•

Describir y simular la técnica de diseño de LNA considerando los resultados de optimización y factibilidad.

•

Discutir el diseño final propuesto.

DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO MULTIBANDA PARA APLICACIONES WIMAX