Zusammenfassung zur Vorlesung CMOS- Analogschaltungen für Transceiver- Anwendungen. Roland Pfeiffer 18. Vorlesung

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1 Zusammenfassung zur Vorlesung CMOS- Analogschaltungen für Transceiver- Anwendungen Roland Pfeiffer 18. Vorlesung

2 TX/RX Ziel der Chip-Hersteller: Single-chip-Handy : Integration aller Funktionen auf einem einzigen Chip möglich?? Station RX AFE RX DSP D A TX AFE TX DSP D A

3 TX/RX Analog Front-End : technischer Stand 2016: Single-chip-Handy möglich?? SAW-Filter piezoelektrisches Substrat Stand 2016 LO- Signalerzeug. Station Verstärker LNA Down-conv. Mixer zu RX DSP Dämpfung Sender PA Up-conv. Mixer von TX DSP LO- Signalerzeug.

4 Analog Front-End : technischer Stand 2000: Michel S. Steyaert et al.: A 2-V CMOS Cellular Transceiver Front-End IEEE Journal of Solid-State Circuits, December 2000

5 Analog Front-End : Michel S. Steyaert et al.: A 2-V CMOS Cellular Transceiver Front-End DCS-1800 Mobilfunksystem USA analog GSM RX-Pfad: Low-IF (100kHz) wegen 1/f-Rauschen TX-Pfad: Homodyne-Transmitter LO-Frequenz-Synthesizer: Integer-N-PLL Differentieller VCO mit Polyphase-I/Q-Erzeugung

6 Analog Front-End : Ziel: Verzicht auf SAW-Filter im TX-Pfad wegen Verlust im SAW-Filter konventionelle Mixer-Modulation: SAW-Filter wegen Rauschen nötig TX RX LNA SAW f Frequenzsyntheziser VCO PA Modulation

7 LPF LPF PD LPF Analog Front-End : - Offset-PLL : Filterwirkung der zusätzlichen Offset-PLL kein SAW-Filter nötig - unempfindlich auf Störung da closed-loop Betrieb geeignet für Single-Chip-Anordnungen! - Nachteil: erhöhter TX RX Schaltungsaufwand (u.a. 2 PLLs) nötig LNA f Frequenzsyntheziser f Offset (variabel) Filterwirkung Frequenzsyntheziser f REF (fix) PA VCO Modulation

8 Analog Front-End : - VCO-Modulation : kein Mixer Rausch-,Stromersparniß kein SAW-Filter nötig - empfindlich auf Störung (z.bsp. Einschalten des Senderverstärker) da open-loop Betrieb während der Modulation nicht geeignet für Single-Chip-Anordnungen! TX RX LNA Frequenzsyntheziser Modulation VCO f PA

9 Analog Front-End : - ΣΔ-Modulation durch Verändern des Teilerverhältnisse in PLL : kein Mixer Rausch-,Stromersparniß kein SAW-Filter nötig - unempfindlich auf Störung da closed-loop Betrieb geeignet für Single-Chip-Anordnungen! TX RX LNA Frequenzsyntheziser Modulation VCO f PA

10 Analog Front-End : Schaltungstechnik II Prof. Maurer

11 Analog Front-End : technischer Stand 2004: Bill Of Materials : Anzahl der diskreten Bauelemente <35 Stück

12 Analog Front-End : technischer Stand 2004: LoopFilter

13 Analog Front-End : technischer Stand 2006: CMOS-Technologie Bill Of Materials : Anzahl der diskreten Bauelemente <20 Stück

14 Analog Front-End : technischer Stand 2006: DSP extra Chip TX/RX extra Chip PA

15 Digital Signal Processing : technischer Stand 2006: DSP (Baseband processor) Vortrag International Solid-State Circuits Conference 2006

16 Digital Signal Processing : technischer Stand 2006: DSP (Baseband processor) für UMTS Vortrag International Solid-State Circuits Conference 2006

17 Digital Signal Processing : technischer Stand 2006: DSP (Baseband processor) für UMTS Vortrag International Solid-State Circuits Conference 2006

18 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2006: -zwingend erforderlich: Schwingungserzeugung (DCXO) = Taktfrequenz Crosstalk - Hauptproblem: durch Substratkopplung (Crosstalk): Störung in empfindlichen analogen Schaltungen

19 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2006: Vortrag International Solid-State Circuits Conference 2006

20 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2007: CMOS-Technologie

21 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2007:

22 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2007: extra Chip TX/RX extra Chip PA

23 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2008: CMOS-Technologie

24 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2008:

25 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2011:

26 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2011:

27 Smartphone Kopfhörer -Treiber Video HDMI Near Field Communication

28 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2011:

29 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2011:

30 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2011:

31 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2011: mittlerweile in Smartphone üblich

32 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2014:

33 Single-Chip-Handy : technischer Stand 2014:

34 Single-Chip-Handy ULC : technischer Stand 2006:

35 Single-Chip-Handy ULC : technischer Stand 2008:

36 Single-Chip-Handy ULC : technischer Stand 2008:

37 Single-Chip-Handy ULC : technischer Stand 2009:

38 Single-Chip-Handy ULC : technischer Stand 2013:

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

40 Analog Front-End : Single-chip-Lösung für WLAN, IMS-Anwendungen usw. möglich! (Ausgangsleistung nicht so hoch, Spezifikationen nicht so streng als für Mobilfunkanwendungen)

41 TX/RX unterschiedliche Ziele: Single-chip-Handy (Chip-Hersteller): Integration aller Funktionen auf einem einzigen Chip widerspricht Kundenwunsch (Handy-Hersteller): second source (immer min. zwei Chip-Hersteller für ein Chip) Station RX AFE RX DSP D A TX AFE TX DSP D A

42 Analog Front-End : RF-Design sehr komplex!!

43 Analog Front-End : RF-Analog-Design sehr komplex!!

44 Analog Front-End : Weitere Anwendungsgebiete für CMOS-Schaltungen: -60 GHz ISM-Band -77 GHz Kfz-Radar.. Schaltungstechnik: - Transmission Line als C, L

45 Literaturhinweise Bücher: -B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall 1998, ISBN Veröffentlichung: -Michel S. Steyaert et al.: A 2-V CMOS Cellular Transceiver Front-End IEEE Journal of Solid-State Circuits, December Chinh H. Doan et al.: Millimeter-Wave CMOS Design IEEE Journal of Solid-State Circuits, Januar verschiedene Infineon Produktbeschreibungen -Christian Dürdodt, Untersuchung und Entwurf von Bluetooth-Empfängern für Ein-Chip-Lösungen, Disseration, RuhrUniversität Bochum, 2003