Design of broadband inductor-less rf front-ends with high dynamic range for g.Hn

Abstract

El "sistema en un chip" (SoC) fue adoptado recientemente como una de las soluciones para reducir el coste de sistemas integrados. Cuando se empezó a utilizar la solución SoC, el producto final era más caro debido al bajo rendimiento de producción. Los avances en tecnología integrada a lo largo de los años han permitido la integración de más componentes en menos área con mejoras en rendimiento. Por lo tanto, SoCs pasó a ser una solución ampliamente utilizada para reducir el coste del producto final, integrando en un único chip las principales partes de un sistema: analógica, digital y memoria. A medida que las tecnologías integradas se reducían en tamaño para permitir una mayor densisdad de transistores y proveer mayor funcionalidad con la misma área, las partes RF analógicas del SoC pasaron a ser la limitación en la reducción de costes ya que los inductores ocupan mucha área y no escalan con la tecnología. Por lo tanto, las tendencias en investigación se mueven hacia el diseño de SoCs sin inductores que todavía reducen más el coste final del producto. También, a medida que la demanda en sistemas de comunicación domésticos de alta velocidad ha crecido a lo largo de la última década, se han desarrollado varios estándares para satisfacer los requisitos de cada aplicación, siendo las redes sin hilos (WLANs) basadas en el estándar IEEE 802.11 las más populares. Sin embargo, una pobre propagación de señal a través de las paredes hacen que las WLANs sean inadecuadas para aplicaciones de alta-velocidad como transmisión de vídeo de alta definición en tiempo real, resultando en el desarrollo de tecnologías con hilos utilizando la infraestructura existente en los domicilios. La recomendación ITU-T G.hn (G.9960 and G.9961) unifica las principales infraestructuras con hilos domésticas (cables coaxiales, línias de teléfono y línias de electricidad) en un sólo estándar para la transmisión de datos hasta 1 Gb/s. La recomendación G.hn define una red unificada sobre línias de electricidad, de teléfono y coaxiales con diferentes esquemas para banda base y RF. El esquema RF-coax en el cual se basa esta tesis, usa canales con un ancho de banda de 50 MHz y 100 MHz con 256 y 512 portadoras respectivamente. La frecuencia centra puede variar desde 350 MHz hasta 2450 MHz. La recomendación especifica un límite en la potencia de transmisión de 5 dBm para el esquema de 50 MHz y 8 dBm para el esquema de 100 MHz, de tal forma que la potencia máxima por portadora es la misma en ambos esquemas. Debido a la estructura de un entorno doméstico con hilos, los receptores deben ser capaces de procesar señales con amplitud muy grande o muy pequeña; cuando transmisor y receptor están conectados en la misma toma eléctrica no hay atenuación de canal y el ratio de señal a rudio más distorsión (SNDR) está dominado por la linealidad del receptor, mientras que cuando transmisor y receptor están separados por varias habitaciones la atenuación es elevada y el SNDR está dominado por la figura de ruido del receptor. Los elevados requisitos de rango dinámico para este tipo de receptores requieren el uso de topologías de ganancia configurable que pueden proporcionar tanto alta linealidad como bajo ruido para diferentes configuraciones. Por lo tanto, esta tesis está encarada a la investigación de topologías sin inductores de banda ancha y elevado rango dinámico para ser usadas a la entrada de un receptor G.hn cumpliendo con las especificaciones proporcionadas. Una gran parte de la tesis se ha centrado en el diseño del amplificador de entrada al ser la etapa más crítica, ya que la figura de ruido y linealidad del amplificador de entrada definen lás máximas especificaciones que el sistema puede conseguir. Se han fabricado 3 prototipos con un proceso CMOS de 65 nm: 2 amplificadores y un sistema completo con amplificador y mezclador.