Methodologies for passive-polyphase-filter optimization in monolithic transceiver architectures
Actualmente vivimos en un mundo saturado de diversos sistemas de comunicaciones inalámbricas. Los avances científicos y tecnológicos, así como la sociedad en su conjunto, demandan continuamente transmitir mayores volúmenes de datos en menor tiempo. Para mantener este ritmo, los sistemas electrónicos...
| Autores: | , , |
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| Tipo de recurso: | tesis de maestría |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Zaragoza |
| Repositorio: | Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza |
| OAI Identifier: | oai:zaguan.unizar.es:161728 |
| Acceso en línea: | http://zaguan.unizar.es/record/161728 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | diseño de circuitos diseño microelectrónico diseño de filtros microelectrónica |
| Sumario: | Actualmente vivimos en un mundo saturado de diversos sistemas de comunicaciones inalámbricas. Los avances científicos y tecnológicos, así como la sociedad en su conjunto, demandan continuamente transmitir mayores volúmenes de datos en menor tiempo. Para mantener este ritmo, los sistemas electrónicos se hayan en continua mejora para cumplir con las expectativas. Afortunadamente, el desarrollo tecnológico<br />de los circuitos integrados (IC) acompaña, permitiendo producir diseños más compactos —o mejores prestaciones en la misma área— conforme el nodo tecnológico evoluciona.<br />Ahora bien, esta persecución apresurada por mejorar las prestaciones de los circuitos, en ocasiones, hace olvidar los métodos de optimización más tradicionales en base al minucioso estudio de las topologías. Este enfoque más clásico puede proporcionar información crítica sobre cómo puede obtenerse el máximo rendimiento del circuito. Si bien las relaciones entre dispositivos empleados y prestaciones globales son difíciles de obtener mediante simulación, los modelos empleados pueden ser mucho más complejos y precisos. También permiten realizar estudios estadísticos difícilmente reproducibles experimentalmente por coste en tiempo y económico, o control de las condiciones.<br />En particular, este trabajo se centra en la optimización de filtros polifásicos pasivos (PPF). Estos son un bloque básico para la implementación de numerosas arquitecturas de transmisores y receptores, y especialmente útil cuando todo el sistema se implementa en el mismo IC (sistemas monolíticos). El desarrollo se realiza dentro de un proyecto de diseño de un front-end electrónico para unidades de antena remotas, utilizándose para ello una tecnología TSMC CMOS standard de 65 nm. No obstante, la investigación se realiza con un enfoque generalista, facilitando la extrapolación de resultados y metodologías a otras tecnologías y aplicaciones.<br />La aparente simplicidad de los PPF resulta engañosa. Estos filtros están compuestos por una red asimétrica de exclusivamente elementos pasivos (resistencias y condensadores). Además, el número de variables de diseño es relativamente reducido dado que muchos elementos idealmente son idénticos. Sin embargo, aparecen dos problemas. Primero, las expresiones analíticas que describen la característica principal<br />del filtro son complejas y resulta bastante difícil ajustar el rango frecuencial en el que cumple las especificaciones. Y segundo, los PPF son muy sensibles a los efectos de las no idealidades, pudiendo variar enormemente su respuesta de un filtro a otro, incluso en dise˜nos idénticos.<br />El estudio de los PPF contenido en esta tesis se realiza desde dos perspectivas distintas pero complementarias.<br />Por un lado, se realiza un minucioso an´alisis del circuito, estudiando el efecto que las no-idealidades pueden producir. La investigación se centra especialmente en aquellos fenómenos que ocasionan un desequilibrio (mismatch) entre los componentes del circuito. Dado que el funcionamiento de la topología se basa en su particular simetría, surgen numerosos obstáculos a superar para alcanzar los objetivos. En primer<br />lugar, debe encontrarse el peor caso posible para acotar el impacto del mismatch. Una vez hallado, se desarrollan las expresiones analíticas que relacionan las prestaciones a las que aspira un PPF con las potenciales variaciones de los dispositivos que lo componen. Estos cálculos se realizan para cada una de las distintas configuraciones de un PPF. Finalmente, se logra obtener una cota fácil de calcular y aplicable a todos<br />los usos de un PPF.<br />Por otro lado, se realiza el proceso de diseño completo de un PPF, evaluando los factores más críticos de cada paso y proponiendo metodologías que optimicen las decisiones de diseño. De este modo, la tesis no solo presenta un recopilatorio exhaustivo de pautas a seguir para el diseño óptimo de PPFs, paso por paso, sino que también introduce las herramientas necesarias para comprobar por simulación la importancia de los diversos efectos en otras tecnologías, pudiendo utilizarse para tal fin los modelos de simulación que proporcionan los fabricantes. Como paso final, se realizan las medidas de los prototipos, probando que pueden obtenerse PPF con las especificaciones deseadas para el proyecto planteado.<br />Este trabajo innova presentando una cota cuantitativa, concisa y precisa, del efecto que puede producir el mismatch, frente a las predicciones cualitativas que aparecen ocasionalmente en la literatura. Por primera vez, podemos establecer una relación directa entre la precisión de los dispositivos y el valor que puede garantizarse en la característica principal del filtro. Como consecuencia, pueden determinarse restricciones de diseño para los componentes e incluso predecir si una tecnología es viable para las especificaciones deseadas.<br />También, las metodologías planteadas permiten alcanzar prestaciones superiores a los métodos clásicos de implementación y síntesis, sacando el máximo beneficio a los recursos invertidos en el PPF. Además, el enfoque generalista dota de una ventaja indirecta: las estrategias propuestas tienen menos restricciones. Gracias a ello, los procedimientos resultan muy prometedores para su uso en sistemas donde el número de etapas o características particulares impidan o desaconsejen el empleo de las metodologías tradicionales. Adicionalmente, se describen diversas y prometedoras líneas futuras para continuar profundizando en la investigación y desarrollo de los PPF de altas prestaciones.<br /> |
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