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Disertación de Maestría
DOI
10.11606/D.3.2013.tde-18082014-121213
Documento
Autor
Nombre completo
Sergio Andres Chaparro Moreno
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Paulo, 2013
Director
Tribunal
Van Noije, Wilhelmus Adrianus Maria (Presidente)
Correra, Fátima Salete
Reis Filho, Carlos Alberto dos
Título en portugués
Projeto de LNAs CMOS para radiofrequência usando programação geométrica.
Palabras clave en portugués
Automação de projeto
CAD
Casamento de impedância
CMOS
Figura de rudo
Frequência
LNA
Programação geométrica
Radiofrequência
Resumen en portugués
O objetivo desta dissertação é propor o projeto de amplificadores de baixo rudo (LNAs) do tipo banda estreita e banda larga em tecnologia CMOS. O projeto de LNAs de banda estreita é representado através de um método de otimização conhecido como programação geométrica. Também, neste trabalho foi projetada uma topologia para LNAs de banda larga, aplicando a programação geométrica durante a fase inicial de projeto. Os layouts de ambos os circuitos foram desenhados e fabricados usando três processos CMOS diferentes. O aumento da utilização de circuitos digitais está reduzindo e substituindo a quantidade de circuitos analógicos implementados nos sistemas atuais. Nos transceptores de radiofrequência, a maior parte dos circuitos foi substituída por circuitos digitais equivalentes. A razão para esta substituição é devido a sua escalabilidade, variações PVT (Process, Voltage and Temperature) baixas, e menor tempo de projeto, resultado de um fluxo altamente automatizado. A redução do tempo de projeto representa um time-to-market menor e custos mais baixos. No entanto, o amplificador de baixo rudo é um dos blocos de radiofrequência que permanecem principalmente no domínio analógico, tornando a redução do tempo de projeto mediante a otimização do fluxo analógico como um bom foco de estudo. O LNA deve ser capaz de receber um sinal de baixa potência e alta frequência, e amplificá-lo adicionando o menor rudo possível, mantendo o casamento de impedâncias, baixo consumo de potência, e uma linearidade adequada a fim de evitar a distorção. Nesta dissertação, a maioria das especificações de desempenho citadas são formuladas rigorosamente e descritas como um programa geométrico. Além disso, vários scripts são escritos de forma a automatizar o fluxo de projeto. A programação geométrica é considerada como uma boa opção porque se o problema de otimização tem solução, o resultado é o ponto de otimização global, e pode ser atingido rapidamente (na ordem de segundos). Para um LNA fonte comum de banda estreita, o problema de projeto é completamente formulado como um programa geométrico, e alguns parâmetros normalmente desprezados, como as não idealidades dos indutores CMOS e a capacitância portadreno do transistor MOS são considerados no projeto. O problema de otimização é resolvido em minutos e testado em cinco processos CMOS diferentes, e para diferentes frequências de operação entre 1,5 GHz e 5 GHz. Os resultados são comparados e validados através de simulações, e dois layouts de LNAs para 2,45 GHz foram desenhados, fabricados e testados usando dois processos de 0,18 mm diferentes. Neste trabalho, também foi formulado um LNA de banda larga com cancelamento de rudo, e um bloco LNA-Misturador de banda larga é projetado incluindo a programação geométrica no cálculo da impedância de entrada e o cancelamento de rudo. Os layouts de dois protótipos diferentes do bloco LNA-Misturador de banda larga, operando na faixa de frequência entre 1 GHz e 5 GHz, foram desenhados e fabricados usando um processo de 0,18 mm.
Título en inglés
Design of radiofrequency CMOS LNAs using geometric programming.
Palabras clave en inglés
CAD
CMOS
Design automation
Frequency
Geometric programming
Impedance matching
LNA
Noise figure
Radiofrequency
Resumen en inglés
This dissertation proposes the design of CMOS narrowband and wideband low noise amplifiers. The design problem of narrowband LNAs is represented as an optimization problem known as geometric programming. Furthermore, a topology for wideband LNAs is designed including the geometric programming in an early stage of the design. Both type of circuits were layouted and fabricated using three different CMOS processes. The tendency to increase the number of applications for digital-intensive circuitry, is reducing and replacing the amount of analog circuits implemented on systems nowadays. In radiofrequency transceivers, most of the circuits have been replaced by a digital-intensive counterpart. Digital circuitry is preferred over the analog one due to its scalability, low PVT (Process, Voltage and Temperature) variations, and shorter designing time result of a highly automated flow. The reduction of the designing time represents a faster time-to-market and lower costs. However, the low noise amplifier is one of the radiofrequency blocks that remain mainly in the analog domain, thus reducing its designing time by optimizing an analog design flow become a good focus of study. The LNA should be capable of receiving a low power and high frequency signal and amplify it adding the minimum noise possible, while maintaining good impedance matching, low power consumption and an adequate linearity in order to avoid distortion. In this dissertation, most of the performance parameters aforementioned are formulated rigorously and described as a geometric program. Moreover, various scripts are written in order to automate the design flow. The geometric programming is considered a good option because if the optimization problem is feasible, the result is the global optimum and can be obtained in seconds. For a common source narrowband LNA, the design problem is fully formulated as a geometric program and some parameters commonly neglected, as the CMOS inductors non-idealities and the gate-drain capacitance of MOS transistor are considered. The optimization problem is solved in minutes and tested on five different CMOS processes at different operating frequencies between 1.5 GHz and 5 GHz. The results are compared and validated through simulations, and two layouts for 2.45 GHz LNAs are drawn, fabricated and tested using two different 0.18 mm processes. In addition, a noise canceling wideband LNA is formulated, and a wideband LNA-Mixer cell is designed by including the geometric programming to estimate the input impedance matching and assure the noise cancelation. The layouts of two different prototypes of the wideband LNA-Mixer cells for the 1 GHz-5 GHz frequency band are drawn and fabricated using a 0.18 mm process.
 
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Fecha de Publicación
2014-08-22
 
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