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GDR Ondes – 22/11/07 1/38 Les Amplificateurs de Puissance Radiofréquences et Micro-ondes : Applications dans le Cadre des Projets Européens MOBILIS et.

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1 GDR Ondes – 22/11/07 1/38 Les Amplificateurs de Puissance Radiofréquences et Micro-ondes : Applications dans le Cadre des Projets Européens MOBILIS et UpperMOS et du Projet RNRT VeLo. Laurent Leyssenne1, Eric Kerhervé1, Yann Deval1, Nejdat Demirel1, Sofiane Aloui1, Nathalie Deltimple1, Didier Belot2, Hilal Ezzedine3 1 IMS-CNRS, Bordeaux. 2 ST Microelectronics, Crolles. 3 ST Microelectronics, Tours.

2 GDR Ondes – 22/11/07 2/38 Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

3 GDR Ondes – 22/11/07 3/38 Introduction LIMS est impliqués dans différents projets nationaux et européens sur la conception de PA: –Applications RF : DCS/WCDMA, WiFi/WiMAX –Applications Radar 80GHz –Application WPAN 60GHz

4 GDR Ondes – 22/11/07 4/38 Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

5 GDR Ondes – 22/11/07 5/38 Caractéristiques des frontaux RF TX 2G/3G/4G (a) Source: Intel

6 GDR Ondes – 22/11/07 6/38 Caractéristiques frontaux RF TX (b) / 812.5Kbps Source: Intel

7 GDR Ondes – 22/11/07 7/38 Problématique liée aux amplificateurs de puissance RF Standards 3G/4G –Modulations QPSK/QAM à enveloppe non constante –Peak to Average Ratio élevé ~3dB (EDGE), ~6dB (WCDMA), ~12dB (WiMAX). –Range de puissance RMS TX= fonction des conditions de trafic. ~30dB (GSM) 70dB (WCDMA). Largeur de canal de transmission élevé 20MHz (WiMAX) Les facteurs clefs de performance sont: –La linéarité (erreur de phase, ACLR, EVM) –Le rendement (durée de vie des batteries) Besoin darchitectures pour gérer le compromis rendement/linéarité.

8 GDR Ondes – 22/11/07 8/38 Architectures de gestion du rendement dans les frontaux TX LINC (requiert des éléments passifs sensibles et difficiles à intégrer) Envelope Elimination & Restoration (EER) associé à un PA de classe non linéaire et à une boucle polaire de la phase du signal dentrée. –Sapplique essentiellement aux PPA. –Requiert un convertisseur AC/AC au niveau du drain/collecteur à fort rendement (externe). Un PA de classe non linéaire piloté par un canal RF modulé delta/sigma –Consommation élevé des étages en amont du PA car large bande. –Difficultés de respecter limmunité au bruit pour les larges range de puissance RMS.

9 GDR Ondes – 22/11/07 9/38 Les architectures choisies en fonction de la reconfiguration souhaitée Fondamentalement basée sur linjection denveloppe (au niveau de la grille/base du transistors de puissance). Plusieurs méthodes dinjection étudiée. Peut sapparenter à un effet mémoire et peut entrainer une distorsion denveloppe. Saut de range de puissance par le bypass de létage de puissance ( pour des raisons de rendement/bruit)

10 GDR Ondes – 22/11/07 10/38 Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

11 GDR Ondes – 22/11/07 11/38 Caractéristiques de la technologie ST BiCMOS7RF (a) HBTs performants en gain et en densité de courant. Mais auto-échauffement sensible flyback, ou effondrement de courant I C (multi-fingers), hystérésis (quand RF et BB sont combinés) Source: Garlapati & Prasad

12 GDR Ondes – 22/11/07 12/38 Caractéristiques de la technologie ST BiCMOS7RF (b) LDMOS plus stables thermiquement et présentent une résistance thermique plus faibles que HBT. Plus robustes vis-à-vis du VSWR de sortie (isolateur non nécessaire). Impédance dentrée peu dépendante du point de polarisation adapté pour les applications de reconfiguration de PA. Faible capacité C gd. Mais sensibles aux ESD

13 GDR Ondes – 22/11/07 13/38 Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

14 GDR Ondes – 22/11/07 14/38 Projet MOBILIS: frontal TX WCDMA/EDGE/DCS Classe de fonctionnement de létage de puissance? Contraintes de linéarité (ACLR=-33dBc) pour le WCDMA. Problème dadaptation PA/duplexeur

15 GDR Ondes – 22/11/07 15/38 Projet MOBILIS: topologie de létage de puissance

16 GDR Ondes – 22/11/07 16/38 Projet MOBILIS: Technique dassemblage silicium(ST BiCMOS7RF)/passif(ST IPAD)

17 GDR Ondes – 22/11/07 17/38 Illustration en mode temporel du pistage denveloppe (boucle ouverte) Pour un signal RF à deux tons (1.95G, 1.955G), le courant IDD tiré par létage de puissance sur lalimentation est un signal de mode commun qui évolue avec lenveloppe RF.

18 GDR Ondes – 22/11/07 18/38 Illustration de leffet du pistage denveloppe sur le rendement: Amélioration sensible du rendement à basse puissance de sortie (CW). Limpact du back-off lié au PAPR sur la PAE moyenne est limité.

19 GDR Ondes – 22/11/07 19/38 Illustration de leffet du pistage denveloppe sur la linéarité:

20 GDR Ondes – 22/11/07 20/38 Exemple dinjection denveloppe en boucle « fermée » Détection de g m2 Les termes de 3 e ordre se combinent constructivement à faible puissance puisque: Néanmoins, on constate une amélioration de la linéarité et du rendement à forte puissance.

21 GDR Ondes – 22/11/07 21/38 Technologie IPAD sur substrat verre pour ladaptation de sortie (ST Tours)

22 GDR Ondes – 22/11/07 22/38 Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

23 GDR Ondes – 22/11/07 23/38 Architecture dédiée au WiFi/WiMAX: projet Uppermost

24 GDR Ondes – 22/11/07 24/38 Uppermost: effet de la reconfiguration dans le domaine spectral

25 GDR Ondes – 22/11/07 25/38 Une amélioration sensible de la PAE sans dégradation du OCP 1 Uppermost: effet de la reconfiguration en boucle fermée sur la PAE et le gain en puissance

26 GDR Ondes – 22/11/07 26/38 Chronogramme CW de la reconfiguration Le signal denveloppe sur 1 bit pour différentes valeur de puissance CW dentrée

27 GDR Ondes – 22/11/07 27/38 Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

28 GDR Ondes – 22/11/07 28/38 Projet VeLo: PA/Antenne à 77-81GHz - Optimisation conjointe entre le PA et lantenne pour faire en sorte que la charge présentée par lantenne soit compatible avec limpédance optimale en sortie du PA. - Solution de beam-forming : 4 éléments rayonnants, donc 4 PA. Construction du diagramme de rayonnement en fonction du déphasage au niveau des antennes, chaque PA pouvant délivrer plus ou moins de puissance dans une direction donnée (déphasages différents). - Possibilité de coupler ou dadditionner des puissances entre-elles, ce qui dans le cas des 4 PAs en parallèle permet de gagner 6 dB supplémentaires. Beam-Forming Bande de fréquence77-81 GHz P out max21 dBm Gain20 dB PAE13 %

29 GDR Ondes – 22/11/07 29/38 Spécifications systèmes radar UWB 79GHz Fréquences = GHz Pout (puissance de sortie de lamplificateur) = 21 dBm Gain de lamplificateur de puissance = 20 dB PAE (Power Added Efficient) = 13 % Antenna gain = dBi Portée maximale = m Modulation UWB suggérée: - Pulse modulation - FHSS - BPSK - Pulsed FM/CW Spécifications PA Spécifications Emetteur

30 GDR Ondes – 22/11/07 30/38 Réalisation dun PA 24 GHz - PA 24 GHz avec circuit de polarisation et circuits dadaptations - BiCMOS9: f T =160 GHz 0.13µm SiGe HBT - Considérations prises pour modéliser le PA: Via, parasites dextraction du transistor, capacités MIM, pads entrée/sortie et modèle du transistor (HICUM) - les impédances en entrée et sortie du PA sont de 50 Schéma du circuit émetteur commun Layout du circuit émetteur commun - UWB 24 GHz: courte portée - UWB 79 GHz: courte et longue portées

31 GDR Ondes – 22/11/07 31/38 Résultats de simulation (Post Layout) du PA 24 GHz - Le gain est de 7.8dB et OCP1 est de 15.89dBm. - Le CP1 est de 23.3% avec un max de Psat = 18.0dBm. Simulation des paramètres SSimulations de la puissance de sortie, du gain en puissance et du PAE à 24 GHz.

32 GDR Ondes – 22/11/07 32/38 Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

33 GDR Ondes – 22/11/07 33/38 *Les réseaux (WxAN) ont des débits faibles(Mbits/s). *Les technologies CMOS « faible coût » actuelles permettent de monter en Fréquence *La bande ISM est sans licence à 60 GHz +absorption de 11dB/Km dénergie *WPAN - Marché visant le grand public et professionnel *Informatique: Échanges de gros fichiers *Électronique grand public *Prouver la faisabilité dun SOC pour des très hauts débits (1.5Gb/s) en CMOS *Satisfaire les contraintes économiques des marchés grands publics Motivations Applications Objectifs PA/Antenne WPAN à 60GHz

34 GDR Ondes – 22/11/07 34/38 Etude bibliographique Conception de PA Comportement du CMOS en HF Technologie CMOS 65nm Eléments passifs en HF Conception Du PA Définition des spécifications du PA : « Pout, Gain, PAE, CP1, IP3, input/output matchings, consommation» Optimiser le transistor « Nb doigts, cellules en parallèle, longueurs » Conception du « PA+circuit dadaptation » Réalisation/Mesures Co-design PA-Antenne Approche SiP avec 3 circuits indépendants (PA, réseau dadaptation de sortie, et antenne) Approche mixte SiP/SoC Approche SoC avec lintégration complète sur une même puce des trois blocs de base Réalisation des puces et Mesures Techno65nm Fr. [GHz]60 3-dB BW[GHz] S21[dB]9 S11[dB]-24 S22[dB]-14 S12[dB]-28 Pout max. 10dBm Alimentation Perspectives

35 GDR Ondes – 22/11/07 35/38 Merci de votre attention


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