Amplificadores de bajo ruido (LNAs) RFIC/MMIC para comunicaciones inalámbricas

• Autores: David Galante Sempere
• Directores de la Tesis: Francisco Javier del Pino Suárez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria ( España ) en 2024
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • RFIC/MMIC low noise amplifiers (LNAs) for wireless communications
• Tribunal Calificador de la Tesis: Roque José Berenguer Pérez (presid.), Benito González Pérez (secret.), Fernando Muñoz Chavero (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de Telecomunicación
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
    • Tecnología de las telecomunicaciones
      • Radiocomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: accedacris.ulpgc.es
• Resumen

  • Las exigentes necesidades de los usuarios de dispositivos electrónicos y las tecnologías de redes inalámbricas de sensores, las tecnologías 5G y las aplicaciones del Internet de las Cosas, obligan a los diseñadores de circuitos integrados a explorar topologías alternativas, técnicas y procedimientos de diseño para poder cumplir con rigurosas restricciones de latencia, tasas de datos, consumo de energía, ganancia, ruido y área. La tesis aborda estos problemas para circuitos de RF y microondas en tecnologías CMOS, SOI y compuestos III-V. Las principales contribuciones introducidas se centran en técnicas de reducción de área y mejoras en la operación de los amplificadores de bajo ruido para frecuencias de RF y microondas. El trabajo a frecuencias de RF, que se centra en amplificadores de bajo ruido (LNAs) para nodos de redes de sensores inalámbricos (WSN), resulta en el diseño y medida de un amplificador de ganancia variable de radiofrecuencia (RF-VGA) basado en convertidores de corriente controlados de segunda generación (CCII). Con esta técnica, se logra un comportamiento de banda ancha en un circuito sin inductores, que resulta en la huella de chip más pequeña de todas las soluciones disponibles en la literatura. Además, cuanto mayor es la ganancia, menor es el consumo de energía del circuito. La técnica de cancelación de ruido (NC) se explota en una segunda versión del amplificador para reducir aún más la figura de ruido (NF) del circuito en más de 1.5 dB e introducir una elevada linealidad, con un IIP3 de 7.6 dBm. También se introduce un amplificador realimentado con reutilización de corriente para un receptor wake-up (WuR) para demostrar una mejora de la sensibilidad de –63.2 dBm a –75 dBm y una reducción de área de 36,800 µm2 a solo 700 µm2, mientras que el consumo de energía se reduce a la mitad, a un total de 3.63 µA. Las contribuciones al diseño de LNAs para 5G en banda K se centran en implementaciones basadas en tecnologías GaAs y SOI, explorando los límites de los Kits de Diseño del Proceso (PDK) empleados. Las principales contribuciones incluyen un procedimiento de diseño para obtener un LNA en GaAs con una figura de ruido por debajo de 1.4 dB en tecnología de 100 nm de UMS, y un LNA en GaAs con una figura de ruido por debajo de 1 dB en una tecnología de 70 nm de OMMIC, ambos con una ganancia de más de 25 dB en una topología de cuatro etapas. Ambos circuitos siguen un procedimiento de diseño detallado que permite aprovechar al máximo el rendimiento del PDK para lograr un rendimiento muy competitivo. Se propone un proceso de diseño orientado a conseguir densidad de corriente óptima combinada con una parte real de Sopt de 50 Ω, junto con una implementación full-custom de la bobina de puerta, para obtener la figura de ruido más baja posible. A continuación, se traslada del diseño del LNA a una tecnología SOI para reducir costes, área y consumo de potencia, presentando resultados de medida de un LNA en cascodo para la banda K con una figura de ruido de 1.4 dB. Los costes de fabricación del circuito fueron esponsorizados por el programa University Partner Program de GlobalFoundries. Para reducir aún más el consumo y explotar la eficiencia de los MOSFET, exploramos la aplicación de la metodología gm/ID en una segunda versión del LNA SOI, demostrando una reducción significativa del consumo de potencia. El LNA propuesto logra el mejor compromiso de prestaciones de todos los LNAs presentes en la literatura, de hecho, la metodología se combina con las propuestas anteriores para ofrecer un procedimiento de diseño que permite obtener LNAs de microondas de bajo consumo y altas prestaciones. Para culminar, se demuestra un LNA diferencial con una tensión de alimentación de 0.38 V implementado en la tecnología 45nm-RFSOI de GlobalFoundries utilizando redes de adaptación basadas en transformadores. El LNA, a conocimiento del autor, presenta el consumo de energía y la figura de ruido más bajos de todos los trabajos disponibles en la literatura, y un notable compromiso entre ganancia, ancho de banda, figura de ruido, consumo de energía y área.