Progettazione con l’ausilio del software ADS di circuiti ... · Progettazione con l’ausilio del...
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Progettazione con l’ausilio del software ADS di circuiti integrati RF per sistemi wireless Federico Baronti Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Via G. Caruso 16 - I-56122 - Pisa – Italy Stanza: B-1-9 Tel. 050-2217.581 Email: [email protected] Ricevimento: venerdì 15-17 Si consiglia di contattarmi preventivamente per concordare un appuntamento Titolare del corso: Bruno Neri Co-docenti: Federico Baronti, Sergio Saponara Laboratorio di: Elettronica dei Sistemi Wireless (9 CFU) II anno della Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica Primo semestre - A.A. 2017/18
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Progettazioneconl’ausiliodelsoftwareADSdicircuitiintegratiRFpersistemiwireless
FedericoBarontiDipartimentodiIngegneriadell’InformazioneViaG.Caruso16- I-56122- Pisa– ItalyStanza:B-1-9Tel. 050-2217.581Email: [email protected]: 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
