Resumen de Diseño de bloques analógicos para receptores de comunicaciones con altos requerimientos de linealidad
Los nuevos estándares de comunicaciones demandan prestaciones cada vez mayores a los transceptores, destacando entre ellas la alta linealidad. Un ejemplo característico son las modulaciones multiportadora empleadas por los estándares más recientes tanto en medios guiados como no guiados (xDSL, DVB, IEEE 802.11a/g/n, IEEE 802.16d/e, LTE, DAB, etc.). El uso de múltiples portadoras ortogonales muy próximas exige alta linealidad en la cadena de recepción para evitar productos de intermodulación que pueden degradar la recepción. En el caso de receptores inalámbricos, la demanda de alta linealidad es incluso más difícil de satisfacer, ya que se debe combinar con el bajo consumo. Esta problemática exige soluciones innovadoras a nivel de circuito. El objetivo de la tesis es explorar esas nuevas soluciones.
La tesis se centra en desarrollar bloques analógicos clave en receptores de comunicaciones, capaces de satisfacer los elevados requerimientos en linealidad de los nuevos estándares. En concreto, se aborda en detalle el filtrado de selección de canal, y con menor extensión, otras aplicaciones como la amplificación en frecuencia intermedia o banda base. Tradicionalmente, en receptores con altos requerimientos de linealidad estos bloques se basan en el uso de amplificadores operando en lazo cerrado. La realimentación empleando componentes pasivos en el lazo permite alcanzar una linealidad tan sólo limitada por la linealidad de esos componentes pasivos, siempre que la ganancia de lazo se mantenga suficientemente alta. Sin embargo, también exige un elevado consumo para un ancho de banda dado. Por otro lado, la sintonía continua de estos bloques frecuentemente degrada la linealidad de forma significativa, por lo que se suele recurrir a sintonía discreta usando arrays de componentes pasivos. Además de la limitación que supone el no poder ajustar de forma continua los parámetros de estos bloques, esta solución incrementa el área de silicio y las capacidades parásitas.
En esta tesis se propone un estilo de diseño radicalmente diferente para estos bloques. En primer lugar, el elemento básico de diseño que se propone es el transconductor, que al operar en lazo abierto permite un menor consumo para lograr un ancho de banda comparable. Tal elemento ha sido escasamente empleado en receptores con altas exigencias en linealidad anteriormente, debido a la dificultad de alcanzar los niveles de linealidad exigidos. En esta tesis se aborda el estudio de transconductores sintonizables de alta linealidad. Fruto de este estudio se demuestra que un adecuado diseño del transconductor, basado en el uso de resistencias pasivas para la conversión tensión-corriente y seguidores de tensión con realimentación local, permite lograr niveles de linealidad similares a los de las técnicas tradicionales antes mencionadas. Asimismo, la tesis propone técnicas de sintonía continua innovadoras que permiten un amplio rango de ajuste sin una merma significativa en otras prestaciones, como la linealidad, el ancho de banda o el rango de entrada. Por otro lado, en la tesis se abre una novedosa línea de diseño analógico de bajo consumo basada en una nueva celda, el Super Seguidor de Fuente en clase AB. Se analiza en detalle esta celda y se muestra su aplicación en múltiples bloques analógicos, entre ellos, transconductores en clase AB.
La tesis parte de la propuesta de un marco general para el diseño de transconductores sintonizables de alta linealidad, y la emplea seguidamente para obtener transconductores adaptados a los distintos compromisos en términos de consumo, linealidad y ancho de banda que demandan las diversas aplicaciones contempladas. Así, se abordan tres escenarios distintos: ¿ Receptores VDSL. En este caso, se requiere una muy elevada linealidad en un ancho de banda relativamente alto. Dado que el consumo es menos relevante en esta aplicación, al no ser receptores inalámbricos, los transconductores empleados para esta aplicación operan en clase A, con tensiones de alimentación y corrientes de polarización elevadas para maximizar la linealidad.
¿ Receptores DVB-H. Al ser inalámbricos, estos receptores requieren menor consumo, relajando las exigencias en linealidad y ancho de banda. Para esta aplicación se proponen transconductores también operando en clase A, pero con un diseño optimizado que permita emplear menores tensiones de alimentación y menores corrientes de polarización.
¿ Receptores en comunicaciones inalámbricas de área personal. En ellos los requerimientos en ancho de banda y linealidad son menores, pero la exigencia en cuanto a bajo consumo es más estricta. Para esta aplicación se proponen transconductores operando en clase AB basados en el Super Seguidor de Fuente clase AB, logrando una significativa reducción del consumo estático.
La tesis presenta resultados experimentales en estos tres ámbitos de aplicación, que avalan la viabilidad y conveniencia de los estilos de diseño analógico propuestos.
