Einführung zur Vorlesung CMOS- Analogschaltungen für Transceiver- Anwendungen. Roland Pfeiffer 1. Vorlesung

Transkript

1 Einführung zur Vorlesung CMOS- Analogschaltungen für Transceiver- Anwendungen Roland Pfeiffer 1. Vorlesung

2 Verstanden? Dieses Mobiltelefon nützt GFSK Modulation im DECT- TDMA/TDD Band mit homodyne I/Q Detektion. Es hat einen differentiellen LNA mit 2dB Noise Figure, einen Image Reject Gilbert-Mixer, eine Integer-N-PLL und einen Class E Leistungsverstärker mit einer PAE von 43%. nach dieser Vorlesung hoffentlich verständlich!!

3 Download von Skripten:

4 Praktikum Institut für Hoch- und Höchstfrequenztechnik Praktikum (aktualisiert, noch nicht auf Homepage)

5 Was ist ein Transceiver? bekanntester Transceiver: Handy Smartphone ursprünglich für Telefonanwendungen gedacht

6 früher: Telefon : durch Alexander Graham Bell erfunden -einfache Schaltungen -Niederfrequenzbereich -rein analoge Schaltungstechnik + - Batterie Mikrofon Lautsprecher

7 früher: Telefon : -Nachteil: drahtgebunden an einen festen Platz

8 heute zusätzlich: Handy (englisch: cellular oder mobile phone): -drahtlos mobil - komplizierte Schaltungen -zusätzlich Hochfrequenzschaltung -in neueren Mobilfunkstandards: digitale Sprachverarbeitung ( DSP ), analoges Front-End (AFE) Station A D A DSP AFE AFE DSP D

9 heute zusätzlich: Handy : -Vorteil: drahtlos mobil ( everywhere, everytime ) Station

10 gestern in Ausnahmefällen: Bundeskanzler Adenauer Mercedes mit Mobilfunk

11 Mobilfunksystem Deutschland A-Netz anstelle von Transistoren: Röhren

12 heute zusätzlich: Handy : Zahl und Penetration in deutschen Mobilfunknetzen Penetration =(Zahl der Mobilfunkteilnehmer/Zahl der Bevölkerung) 100% penetrationsrate-der-deutschen-mobilfunknetze-seit-1990/

13 TX/RX heute zusätzlich: Handy : Sprechen: Hören: Transmitter (TX) Receiver (RX) Trans-ceiver Antenne zugleich Sprechen und Hören (TX/RX) Station RX AFE RX DSP D A TX AFE TX DSP D A

14 heute zusätzlich: Mobilfunk HF Sprachbereich NF

15 heute zusätzlich: Handy : Weg der Niederfrequenz (NF) und der Hochfrequenz (HF) durch das Handy NF NF NF HF HF NF NF NF Station A D A DSP AFE AFE DSP D

16 TX/RX heute zusätzlich: Sprechen: Hören: Transmitter (TX) Receiver (RX) Trans-ceiver Antenne zugleich Sprechen und Hören (TX/RX) HF NF Station RX AFE RX DSP D A TX AFE TX DSP D A NF

17 Diskrete Bauelemente Hochfrequenz TX/RX Ziel der Chip-Hersteller: Single-chip-Handy : Integration aller Funktionen auf einem einzigen Chip Voraussetzung: -bevorzugt: CMOS -Technologie -niedrige Verlustleistung (Standbyzeit, Sprechzeit) Station RX AFE RX DSP D A TX AFE TX DSP D A

18 Ziel der Chip-Hersteller: Single-chip-Handy Sättigung in den Industrieländer ( jeder hat ein Handy, nur mehr Ersatzbeschaffung) Ultra-low-cost (ULC) Handys für Entwicklungsländer >10$ Materialaufwand (Handykosten unter 30$)

19 Single-Chip-Handy ULC : technischer Stand 2014: sub-30

20 TX/RX Thema der Vorlesung: CMOS-Hochfrequenz-Analogschaltung für Analog Front-Ends von Handys Voraussetzung: Kenntnis der Mobilfunkverfahren ( Air interface ) Station RX AFE RX DSP D A Air Interface TX AFE TX DSP D A

21 TX/RX Analog Front-End : genauere Betrachtung: wegen Dämpfung: Verstärker (Low Noise Amplifier) in RX-Pfad Sender (Power Amplifier) in TX-Pfad Frequenzverschiebung: Demodulator/Modulator RX AFE Station Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP Dämpfung Sender PA Modulator von TX DSP TX AFE

22 TX/RX Analog Front-End : noch genauere Betrachtung: Demodulator/Modulator besteht aus Mischer ( down- bzw. up-conversion mixer ) und Frequenzerzeugung im lokalen Oszillator (Local Oscillator) LO- Signalerzeug. Station Verstärker LNA Down-conv. Mixer zu RX DSP Dämpfung Sender PA Up-conv. Mixer von TX DSP LO- Signalerzeug.

23 Vorgehensweise: Air Interface : Modulations-, Duplexer- und Multiple-Access-Verfahren, Mobilfunk-Standards Empfänger- und Senderschaltungen Baugruppen von analogen Front-Ends: -TX/RX-Aufteilung -Low-Noise-Amplifier -Mixer -Frequenzerzeugung -Power Amplifier zusätzlich: -HF-Simulation, ESD-Problematik, Mobilfunk und Gesundheit -Vorstellung von aktuellen Veröffentlichungen -Forschungsarbeit zu den Themen (Studienarbeiten, Bachelor- und Masterarbeiten)

24 Vorkenntnisse aus anderen Vorlesungen? Air Interface : Modulations-, Duplexer- und Multiple-Access-Verfahren, Mobilfunk-Standards Empfänger- und Senderschaltungen Baugruppen von analogen Front-Ends: -TX/RX-Aufteilung -Low-Noise-Amplifier -Mixer -Frequenzerzeugung -Power Amplifier zusätzlich: -HF-Simulation, ESD-Problematik, Mobilfunk und Gesundheit -Vorstellung von aktuellen Veröffentlichungen -Forschungsarbeit zu den Themen (Studienarbeiten, Bachelor- und Masterarbeiten)

25 Aufgabe Zerlegen eines Handys

26 Zerlegen eines älteren Handys interessant

27 Zerlegen eines älteren Handys Niederfrequenzteil Hochfrequenzteil

28 Blockschaltbild eines älteren Handys Channel

29 CMOS für Hochfrequenzschaltungen?? Eine Kenngröße für die maximale Frequenz, die ein MOS- Transistor verkraftet, ist die sog. Transitfrequenz. I DS 2 ft T 1 I 2 f T T 1 L 2 GS L W min. Gatelänge (µm) L ft/ghz 1/L L/µm