Progettazioneconl’ausiliodelsoftwareADSdicircuitiintegratiRFpersistemiwireless

FedericoBarontiDipartimentodiIngegneriadell’InformazioneViaG.Caruso16- I-56122- Pisa– ItalyStanza:B-1-9Tel. 050-2217.581Email: federico.baronti@unipi.itRicevimento: venerdì15-17SiconsigliadicontattarmipreventivamenteperconcordareunappuntamentoTitolaredelcorso:BrunoNeriCo-docenti:FedericoBaronti,SergioSaponara

Laboratorio di:

ElettronicadeiSistemiWireless(9CFU)IIannodellaLaureaMagistraleinIngegneriaElettronica

Primosemestre- A.A.2017/18

Programmaesercitazioni• IntroduzioneallaprogettazioneRF

• Introduzioneall’usodiAdvancedDesignSoftware(ADS) http://www.keysight.com/

• Progettazione(alivellodischematico)diLNAbipolare

• Progettazione(alivellodischematico)diLNACMOS

• Progettazione(alivellodischematico)diMixer(CelladiGilbert)

• Progettazionediunfiltroamicrostriscia

• Progetto

2M ElettronicaLu Ma Me Gi Ve Sa

8:30/9:30 Prog.sens.microsist.ADII3

Prog.sens.microsist.ADII3

Prog. mixed signalB23

9:30/10:30 Prog.sens.microsist.ADII3

Prog.sens.microsist.ADII3

Prog. mixed signalB23

10:30/11:30 Prog. mixed signalB23

Progett.circ.digit.ADII3

Progett.circ.digit.C32

Elettron. sist. wirelssB23

Progett.circ.digit.B23

11:30/12:30 Prog. mixed signalB23

Progett.circ.digit.ADII3

Prog.sens.microsist.SI 7

Elettron. sist. wirelssB23

Progett.circ.digit.B23

12:30/13:30 Prog. mixed signalB23

Progett.circ.digit.ADII3

Prog.sens.microsist.SI 7

13:30/14:30

14:30/15:30 Progett.circ.digit.ADII3

Elettron. sist. wirelssADII3

Elettron. sist. wirelssADII3

Prog.sens.microsist.F5

15:30/16:30 Progett.circ.digit.ADII3

Elettron. sist. wirelssADII3

Elettron. sist. wirelssADII3

Prog. mixed signalSI 3

Prog.sens.microsist.F5

16:30/17:30 Elettron. sist. wirelssADII3

Elettron. sist. wirelssADII3

Prog. mixed signalSI 3

17:30/18:30 Prog. mixed signalSI 3

www.lantiv.com

Orario

Altreinfo• Paginawebdelcorso:

– http://www.iet.unipi.it/f.baronti/didattica/ESW/ESW.html

• UsoPC(quellisullamensola)inaula:– Account:banco– Password:studele– Softwareinstallato:ADS2013– Designkit:AMS-S35(0,35µmHBTBiCMOS)

• Usoportatilepersonale– Designkit:AMS-S35(0,35µmHBTBiCMOS)– ADS2009

IntroduzioneallaProgettazioneRF• BasicofRFICDesign

– Buildingblocks,technologies,anddesignmetrics– Designflow– Modelling&simulation– CADtools

• RFCircuitSimulation

Why RFDesignis Challenging?

RFDesign

Microwave theory

Communication theory

Random signals

Transceiver architecture

IC design

CAD tools

Wireless standards

Signal propagation

Analog/RFDesignTrade-Off

NOISE LINEARITY

GAIN

SUPPLY VOLTAGESPEED

POWER DISSIPATION

RF DESIGN HEXAGON

AnRFCommunicationSystemD

uple

xer

LNA

PA

LO

LO

LO

VGA

VGA

PhaseSplitter

PhaseSplitter

Dig

ital S

igna

l Pro

cess

or (D

SP)

ADC

ADC

DAC

DAC

90°

90°

0°

0°

RF IF BASEBAND

Superheterodyne Transceiver

AnAlternativeRFComm.System

Dup

lexe

rLNA

PA

LO

LO

PhaseSplitter

PhaseSplitter

Dig

ital S

igna

l Pro

cess

or (D

SP)

ADC

ADC

DAC

DAC

90°

90°

0°

0°

RF BASEBAND

Zero-IF (ZIF) Transceiver

ComponentsofanRFSystem

• RF• Duplexer• LNA:LowNoiseAmplifier• PA:PowerAmplifier• RFmixer• LocalOscillator/

FrequencySynthesizer• Filter

• IF• VGA:VariableGainAmplifier• Modulator• Demodulator• Filter

• Baseband– Mixed-signal

– ADC:AnalogtoDigitalConverter– DAC:DigitaltoAnalogConverter

– Digital– DigitalSignalProcessor(DSP)

SOC:System-on-a-Chip• AllcomponentsofasystemareimplementedonthesameVLSIchip

• Requiressametechnology(usuallyCMOS)usedforallcomponents

• Componentsnotimplementedonpresent-daySOC:

• “Antenna”• Poweramplifier(PA)

SIP:System-in-Package• SeveralchipsorSOCareincludedinapackage• RoutingwithinSIPmaybeprovidedviaasemiconductorsubstrate

• RFcommunicationsystemmaycontain:– SIP,containing

• SOCconsistingof– CMOSdigitalandmixed-signalcomponents(DSP,ADC,DAC)– CMOSLNAandMixers– CMOSDDS(DirectDigitalSynthesizer)– Filters

– Poweramplifier(PA)– Antenna

RFTechnologies• GaAs:

– Highfrequency– Highpower– UsedinPAandfront-endswitches– Lowyield,expensivetomanufacture– Notintegratedonsiliconchips

• SiliconbipolarandBiCMOS• SiliconCMOS,suitablefortensofGHz• SiGe

– PossiblereplacementforGaAs– Canbeintegratedonsiliconchips

BlockDesignMetrics• Gain• Noise Figure,Phase Noise,Jitter• Linearity

– 1-dBCompression Point– 3rd OrderIntercept Point– Dynamic range– Spurious FreeDynamic Range

• Linkbudget• Stability• Sensitivity• I/OImpedance• Cost

Beforelookingatsomenumbers• Givena0dBm availablepowersourcewith50Ω internalresistance,whataretherms andpeakvoltagesonamatched?– 𝑉"#$ = 𝑅𝑃(

� = 50 , 10./� =223.6mV

– 𝑉0123 = 2𝑅𝑃(� = 2 , 50 , 10./� =316.2mV

Beforelookingatsomenumbers• Whatisthefloornoiseofasourcewith50Ωinternalresistanceon1MHzbandwidthatroomtemperature(25C)?– 𝑃(,678$1 = 𝐾𝑇∆𝑓 = 4.11.?@W(−113.9dBm)– Onamatchedload:

• 𝑉"#$ = 𝑅𝑃(,678$1� =0.45µV

• 𝑉0123,678$1 = 2𝑅𝑃(, noise� =0.64µV

Beforelookingatsomenumbers• AnLNAwitha2dBnoisefigureanda15dBgainisfollowedbyamixerwitha7dBnoise.What’stheoverallnoisefigure?

– NF= 𝑁𝐹? +Z[\.?]^

= 1.585 + @.`?a.?/?.ba

=1.712(2.334dB)

Duplexer• TDD:Time-DivisionDuplexing

• SameTxandRxfrequency• RFswitch(PINorGaAsFET)• Lessthan1dBloss

• FDD:Frequency-DivisionDuplexing

• TxtoRxcoupling(-50dB)• Moreloss(3dB)thanTDD• Adjacentchannelleakage

Rx

Tx

TDD command

Rx

Tx

fr

fr

ft

ft

Duplexer• TDD:Time-DivisionDuplexing

• SameTxandRxfrequency• RFswitch(PINorGaAsFET)• Lessthan1dBloss

• FDD:Frequency-DivisionDuplexing

• TxtoRxcoupling(-50dB)• Moreloss(3dB)thanTDD• Adjacentchannelleakage

Rx

Tx

TDD command

Rx

Tx

fr

fr

ft

ft Rx

Tx

fr

ft

Circulator

12 3

LNA:LowNoiseAmplifier• AmplifiesreceivedRFsignal• Typicalcharacteristics:

• Noisefigure 2-3dB• ICP1dB -20dBm• IP3 – 10dBm• Gain 15dB• Inputandoutputimpedance 50Ω• Reverseisolation 20dB• Stabilityfactor >1

• Technologies:• Bipolar• CMOS

MixerorFrequency(Up/Down)Converter

• Translatesfrequencybysubtracting/addinglocaloscillator(LO)frequency

• Typicalcharacteristics:• Noisefigure 12dB• ICP1dB -5dBm• IP3 +5dBm• Gain 10dB• Inputimpedance 50Ω• Porttoportisolation 10-20dB

• Technologies:• Bipolar• CMOS

PA:PowerAmplifier• FeedsRFsignaltoantennafortransmission• Typicalcharacteristics:

• Outputpower +20to+30dBm• Efficiency 10%to20%• IMD – 30dBc• Supplyvoltage 3.8to5.8V• Gain 20to30dB• Outputharmonics – 50to– 70dBc• Powercontrol On-offor1-dBsteps• Stabilityfactor >1

• Technologies:• GaAs• SiGe

Analog/RFDesignFlow

l System Specs

l Behavioral models–Matlab, Excel, …–Define Block requirements

l Circuit design–Size, Simulate and iterate

l Layout design–Verify and iterate

Syst

emLe

vel

Expl

orat

ion

Circ

uit

Sizi

ng &

Synt

hesi

s

Analog/RFBlock DesignFlow

Define specifications

Choose architecture

Simulate schematic

Simulate schematic varying T, VDD, process parameters

Masks layout

Design Rules Check (DRC)

Extract schematic from layout

Layout Versus Schematic (LVS) check

Extracted schematic simulations

BLOCK DONE!

In a complex design, this will be repeated

for every block of the design hierarchy

RFICSimulation• Accuratemodelling (active andpassivecomponents)

• EMsimulators• RFcircuit simulators

– Periodic SteadyStatesimulation algorithms• Harmonic Balance(ADS)• Shooting (SpectreRF)

Modelling• ActiveComponents

– Bipolartransistors– MOSFETtransistors

• PassiveComponents– Capacitors– Inductors– Resistors– Transformers– Interconnections– Package

Capacitors

Inductors

Package

InterazioneElettromagnetiche

MetodiNumericieDominio

• 2D(planare)

• 2De½(planare+vias)

• 3D(tridimensionale)

AlcuniSimulatoriEM

• ASITIC(2De½,PEEC)• MicrowaveOfficeEMSight(2De½,MoM)• Momentum(2De½,MoM)• HighFrequencyStructuresSimulator(3D,FEM)• FiniteDifferenceTimeDomain(3D,FDE)

– PEEC:PartialElementEquivalentCircuit– MoM:MetododeiMomenti– FEM:FiniteElement– FDE:FiniteDifference

CADSupports

Optimality?Exploration?

Construction-SimulationParadigm

• Timeintensive• Laborintensive• Highlyiterative• Nonoptimal• Nonre-usable• Nonscalable• Dependenton

individualskills

W1 = 1W2 = 2

: :L8 = 1

Power = 1Gain = 500

Simulation

Challenges

Benchmark PLL Design3-6 months

AnalogSynthesis:anopportunity

• DesignTime• DesignProductivity• Robustness• Optimality• Re-usability• Scalability• Portability

Benefits

W1 = 1W2 = 2

: :L8 = 1

Jitter = 10Static Phase Error = 100

Optimization

Benchmark PLL Design3-6 hours

AnalogDesignPlatform

l System Specsl Behavioral models

–Matlab, Excel, …–Define Block requirements

l Circuit design–Size, Simulate and iterate

l Layout design–Verify and iterate

Syst

emLe

vel

Expl

orat

ion

Circ

uit

Sizi

ng &

Synt

hesi

s

Analog Platform

AnalogPlatforms• AnAnalogPlatformisalibraryofanalogcomponentsandinterconnectsthatimplementsasetoffunctionalities

• AnAnalogPlatformconsistsof:– Behavioralmodels provideanefficientwaytosimulatemappingeffectsatthecurrentplatformlevel

– Performancemodels constrainthepossiblebehaviorstotheconsideredplatforms

AnalogPlatforms(cont.)• Classictop-downapproachessufferforlimitedpredictabilityofperformancesà Introduceanewlevelofabstraction

• Platformsabstractunderlyingcomponentsproviding:– Estimationmechanisms(i.e.models)forplatformleveloptimization

– Mappingmechanismstopropagateconstraintstonextlevel• Platformsprovideaccurateexplorationmechanismsbylimitingthesearchspace

• Platformsmayencapsulatesynthesispaths

AnalogPlatformStacks• APsallowefficienttop-downflowsforanalogsystems• Ateachlevelofabstractionin

theplatformstack,performancemodelsallowtransformingrequirementsintosatisfiablenext-levelconstraints

• Anyplatforminstanceisimplementablebydefinition

• Platformstacksallowtheselectionofoptimalarchitecturesandtopologiesforanalogcomponents

Filter

Diff. S.Ended

OpAmp Lib1 OA Lib2

Sw.Cap Cont.T.

Mapp

ing

Tool

s

OpAmp

IntroduzioneallaProgettazioneRF

• BasicofRFICDesign

• RFCircuitSimulation

Sommario• RichiamianalisidisponibiliinSPICE• CaratteristichecircuitiRF

– ImpraticabilitàusoanalisiSPICEperlavalutazionedialcuniparametridiinteressedeicircuitiRF

• Analisipersoluzioneinregimeperiodico(oquasi-periodico)– HarmonicBalance,Shootingmethod

• Estensionidelleanalisipersoluzioneregimeperiodico(oquasi-periodico)

RichiamianalisiSPICE

Tipoanalisi Applicazione ModelloDC Puntodiriposo Eq.nonlineariincontinua

AC Rispostainfrequenza

Eq.lineari(olinearizzatenelp.todilavoroincontinua)neldominiodellafrequenza

TRAN Analisitransitorio Eq.nonlineariintegro-differenziali

• 3 classiprincipalidianalisi:

SPICE:analisiAC(1)• Analisifasoriale(regimesinusoidale)• BCE(BranchConstitutiveEquation)corrispondonoadammettenzecomplessedipendentidallafrequenza

• Applicataacircuitinonlinearièvalidasolo perpiccolisegnalivariabiliintornoalp.todiriposoincontinua€

Y =G + jωC +1jωL

SPICE:analisiAC(2)

• Oltreallarispostainfrequenza,l’analisiACpuòvalutarerumore(NOISE)

• Sonoinseritigeneratori(incorrelati)rumoreneidispositivi:termico,shot,flicker,burst.

• AnalisiNOISEvalutavalorequadraticomediodellatensionevno dellaportadiuscita:

€

vno2 = Zk

2

k=1

N

∑ ink2

AnalisiTRAN(1)• Puòessereapplicataaunqualunquecircuitosollecitatodasegnaligenerici

• Ilp.todiriposoinDCènormalmenteusatocomecondizioneiniziale

• Ilpassodiintegrazioneèdeterminatodalsegnalepiùveloce,mentreiltempodisimulazionedaquellopiùlento

AnalisiTRAN(2)

Punto di lavoro iniziale

Discretizzazioneequazioni

differenziali

Definizione di unnuovo

punto di lavoro

Linearizzazione

Soluzioneequazioni lineari

Incrementa tempo

Converge?

Finesimulazione?

SI

NO

SINOSTOP

AnalisiTRAN(3)• PuòvalutaretrasformatadiscretaFourier(FOUR)suultimoperiododell’intervallodisimulazione– Richiedecheiltempodisimulazionesiamaggioredeltransitorioaffinchéilcircuitosiaaregimeperiodico

• Puòdiventareimpraticabile(simulazionimoltolunghe)inbaseallecaratteristichedeisegnalipresenti

BlocchiprincipliRF• Es.ricevitoresupereterodina

Dup

lexe

r

LNA

PA

LO

LO

LO

VGA

VGA

PhaseSplitter

PhaseSplitter

Dig

ital S

igna

l Pro

cess

or (D

SP)

ADC

ADC

DAC

DAC

90°

90°

0°

0°

RF IF BASEBAND

CaratteristicheblocchiRF(1)

• Bassisegnaliiningressoalricevitore(finoa1µV)• Sensibilitàricevitoredeterminatadalrumoredelfront-end:LNA,Mixer,LO– SimulazionerumoreLNA(cifradirumore)okconanalisiAC

– SimulazionerumoreMixereLO(jitter/rumoredifase)impossibileconanalisiAC,inquantoilpuntodiriposodelcircuitovarianeltempo

• Ampiadinamicasegnaliiningressoalricevitore:– Distanzadallastazionetrasmittente– Presenzaelevatiinterferentisucanaliadiacenti

• Importanteverificarelinearitàricevitore:– Ingressoduesinusoidiinbandaconfrequenzavicina– Prodottidiintermodulazionenellabandadelricevitore(IMDInterModulationDistortion)

CaratteristicheblocchiRF(2)

3° ordine

CaratteristicheblocchiRF(3)

!

• Parametridinonlinearità:– P.to dicompressionea1dB(sivariaampiezzasinusoideiningresso)

– Bloccodelguadagno(sivariaampiezzadell’interferente)

– Prodottidiintermodulazione,intercettadel3°ordine(IP3)(sivariaampiezzadelleduesinusoidiiningresso)

CaratteristicheblocchiRF(4)

• Segnaliconfrequenzemoltodiversetraloro;es.portanteemodulante

• Segnaliconfrequenzevicine(canaliadiacentiodownconversion nelmixer)generanoarmonicheafrequenzamoltopiùbassa

• SimulazioneconanalisiTRANrisultaimpraticabilepermisurarenonlinearità

AnalisiPeriodicSteady-State(1)• StimolicircuitiRFcostituitidaunoopiùtoni(grandisegnali)afrequenzadiversa

• Idea:valutaresoluzioneregimepermanentesenzacalcolaretransitorioiniziale

• Soluzionediregime:periodica(fondamentale+armonicherelativealsingoloingressoperiodico)oquasi-periodica(fondamentali+miscelazionearmonicherelativeaidiversiingressiperiodici)

AnalisiPeriodicSteady-State(2)

• Analisinon-linearità:– Distorsioni

• Simulazioneoscillatori(anchelafrequenzadioscillazioneèun’incognita!)

• Duealgoritmiprincipali:– neltempo:Shootingmethod(CAD:SpectreRF)– infrequenza(misto):HarmonicBalance(CAD:ADS)

Shootingmethod(1)• Sibasasuanalisitransitorioimponendovincolochesoluzionesiaperiodica:

• (valoreiniziale)vienedeterminatoconmetodoiterativo(Newton)

• AnalisitransitoriasuunperiodoT,combinataconanalisisensibilitàperdeterminarealpassosuccessivo

€

v t0 + T( ) = v t0( ), v(t0) incognito e T noto

€

v t0( )

€

v t0( )

Shootingmethod(2)• Analisioscillatori(Autonomous Shootingmethod):ilperiodoT èun’ulterioreincognita;deveessereaggiuntaun’altraequazione

• Puòessereapplicatoanchealcasodisoluzioniquasi-periodiche

• Lavorandoneldominioneltempo,risultapocoadattoasimularecomponentinaturalmentedescrittineldominiodellafrequenza

HarmonicBalance(1)

• Idea:svilupposoluzioneinseriediFourier(singolotono)oFouriergeneralizzato(piùtoni)

• Es.conduetonif1 ef2:

• LeincognitesonoicoefficientiVkldellosviluppoinseriediFourier

• Perchémetodosiapraticabile,losviluppoinseriediFourierdeveesseretroncato(k el limitati)

€

v t( ) = Vklej2π (kf1 + lf2 )t

l=−∞

∞

∑k=−∞

∞

∑

HarmonicBalance(2)• Sistemaeq.ainodi(conduttanzeecapacitànonlineariegen.dicorrenteu(t)periodiciT)

• Sol.regimeperiodico:(N limitato)

• Ilsistemadarisolvere:

• Armonichelinearmenteindipendenti€

v t( ) = Vkej2πkft

k=−N

N

∑ ; f = 1T

€

f v(t), t( ) = i(v(t)) + ˙ q (v(t)) + u(t) = 0 v(t)∈ℜn

€

Fk V( )e j 2πkft

k=−N

N

∑ = 0

€

Fk V( ) = j2πkfQk V( ) + Ik V( ) +Uk = 0 − N ≤ k ≤ N

HarmonicBalance(3)• Glielementinonlinearimodellatidominioneltempo

• NecessarioantitrasformareV (terminii eqnonlinearivalutatineldominiodeltempo)epoiritrasformarei eq neldominiodellafrequenza

• Vantaggio:icomponentisonomodellatinellorodominiopiùconsono

• Risultaabbastanzacomplessa,soprattuttonelcasodipiùtoni;problemiaconvergere

HarmonicBalance(4)• Puòessereusataperanalizzareoscillatori(Autonomous Harmonic Balance)– IlperiodoT diventaun’ulterioreincognita– Serveun’ulterioreequazione

• Nonessendocisegnaliesterni,lafasediunadellearmonichepuòesserefissataarbitrariamente

– Serveunaccorgimentoperevitarelasoluzione“banale” ugualea0

• Sipuònormalizzarefunzioneerroreconlanormadelvettoredelletensioni

Estensionianalisisteady-state• AnalisiPeriodic Steady-Staterisolvonoproblemamisuraparametrididistorsione

• Sonolabaseperaltreanalisichecopronolavalutazionedelrumoreneglioscillatoriemixerel’analisidicircuiticonsegnaliarbitrariamentemodulati– Small-Signal ACanalysis– Transient-Envelope

Riferimenti• K.S.Kundert,“IntroductiontoRFSimulationandIts

Application,” IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.34,no.9,pp.1298-1319,Sep.1999