Схеми трансівера 60 ГГц в технології SiGe:C BiCMOS

Ця стаття демонструє конструювання та вимірювання ключової схеми блоків для високошвидкісного трансівера в діапазоні 60 ГГц. Схема модуляції вибрана ASK для простої конфігурації з високою швидкістю передачі даних. Представлені схеми: LNA, осцилятор, мікшер, модулятор і демодулятор. Схеми виготовляються в 0,25 мкм технології SiGe: C BiCMOS.

1. Вступ

Традиційно мультимедійний контент передається з систем провідної передачі. Через обмежену швидкість звичайна система WLAN не може взяти на себе це завдання. Ось чому нові системи бездротової передачі даних зі швидкістю передачі білше ніж 150 МБ/с перебувають під дослідженням [1]. У бездротовому [2] приймачі представлений модуль на 60 ГГц демонструє швидкість передачі даних, що досягає 1,25 ГБ/с. Набір чіпів складається із різноманітних MMICs, що засновані на 0,15 мкм AlGaAs/InGaAs гетероперехода FET технології.

Для майбутніх низько-вартісних систем необхідно реалізувати повний приймач-передавач на основі кремнієвої технології, на єдиному чипі або принаймні, використовуючи найменшу кількість чіпів. З сучасним CMOS, біполярні і BiCMOS технології, що розроблені в останні кілька років, дають надію зробити реальним це завдання в короткий термін [3].

Ця стаття представляє конструювання та вимірювання ключових схем для реалізації високо-швидкісного трансівера, зі швидкістю передачі даних 60 ГГц. При сучасному стані, схеми будуть завершені для вимірювання на пластині.

2. Схемотехніка Архітектура трансівера

На малюнку 1 показана блок-схема запропонованого приймача-передавача. Вона грунтується на амплітудній модуляції (ASK). Причини вибору цього методу модуляції наступні:

• ASK – дуже проста схема модуляції, що дозволяє проектування і демонстрацію приймача 60 ГГц у відносно короткий час. Це дозволяє сфокусуватися на аналоговій частині системи без необхідності мати справу зі складністю, пропускною здатністю і споживаної потужністю високої швидкості цифрової обробки даних.

• Смуга пропускання, що доступна в 61 ГГц на ISM діапазоні 500 МГц. Таким чином, ефективне використання пропускної здатності є менш важливим в порівнянні з більш низьким діапазоном частот.

• В ефективній смузі пропускання схеми модуляції такі, як OFDM, A/D перетворювач (АЦП) є серйозною проблемою. З необхідними низьким енергоспоживанням і продуктивністю, важко проектувати АЦП, щоб задовольнити потреби системи.

Таким чином, з’ясовано, що ASK добре підходить для 60-гігагерцового приймача першого покоління, через простоту та ефективність потужності. Пізніше реалізації неодмінно будуть використовувати більш складні схеми модуляції.

Передавальний шлях трансівера складається з генератора 61,25 ГГц з основним режимом, перемикача і підсилювача потужності. Між модулятором і підсилювачем потужності вставляється фільтр, щоб зменшити шпори. Шлях приймача складається з малошумлячого підсилювача (LNA), змішувача, осцилятора 56 ГГц, з перемінним посиленням і ASK демодулятора. Автоматичні блоки в пунктирних обведеннях на малюнку 1, описані в цій статті.

Мал. 1 Блок-схема приймача

Малошумлячий підсилювач

Триступенева схема МШП показана на малюнках 2 і 3. Одним із завдань проектування МШП було отримати безумовну стабільність для обох вимірів на пластинах і для використання підсилювача на випробувальному стенді модулів разом з іншими компонентами приймача. Особливо використання проводів зв’язку для підключення захисного потенціалу (і пов'язаної з ним індуктивності) викликає серйозні проблеми зі стабільністю, якщо використовуються несиметричні конфігурації.

Ось чому всі етапи призначені в диференціальній конфігурації. Вхід і вихід зв'язані. З’єднання перетворювача корисно в двох напрямках. По-перше , він діє як балун для підключення до односторонньої антени. По-друге, первинні та вторинні обмотки трансформатора налаштовані на смугову характеристику. При цьому додатковий вхідний фільтр на шляху RX може бути опущеним і ця функція буде вбудована в LNA .

Схема однієї стадії МШП показана на малюнку 3. Це диференціальне етап з індуктивним навантаженням і з узгоджувальним ланцюгом на виході.

Мал. 2 LNA 60 ГГц

Мал. 3 Схема однієї стадії диференціального МШП

Осцилятори

Архітектура приймача, що зображена на малюнку1 вимагає двох генераторів, що працюють на різних частотах. Одна для тракту передачі в центрі ISM смуги в 61,25 ГГц. Інша частота в тракті прийому є частотою передачі, що зменшується на проміжній частоті (ПЧ). Принцип схеми обох генераторів заснований на модифікованому принципі Колпітса в симетричній конфігурації з типом від’ємного пору, як показано на малюнку 4 [4]. З симетричною схемою сигнал перешкоди за допомогою кремнієвої підкладки знижується в порівнянні з односторонньою версією.

Діоди і резистори в ланцюзі використовуються для визначення робочої точки транзисторів. Танк (резервуар, бак) є симетричним схемі індуктора L1 і конденсатора C₁ МІМ. Конденсатори бази-емітера C_BE біполярного транзистора діє паралельно до МІМ конденсаторів C₁. Для пояснення, танк(резервуар, бак) можна розділити на дві половини схеми, розділених симетричною лінією, як показано на малюнку 4. При роботі, половинки генератора працюють в різних режимах, так що виходи становлять 180 º по фазі. Вузли резервуара, що вказані симетричною лінією фіксуються на віртуальній землі для основного тону.

Індуктори L1 призначені як плечі одного контуру металевого шару 4 (Зроблений з алюмінію товщиною 2 мкм і 10 мкм шириною). Штучна індуктивність становить 85 рН за плече. Конденсатор C2 це варікапа, що сформована n-канальним MOS пристроєм. Для того, щоб отримати широкий діапазон зміни ємності, пристрій працює у всьому діапазоні від виснаження до накопичення. Напруга для частотного контролю застосовується до n-джерел структури. З V_ctrl ситуація стає більш позитивною: структура MOS приводиться в виснаженням і ємність буде зменшено. В разі приймального тракту, вихід ядра генератора підключений до підсилювача. Осцилятори передавальних шляхів безпосередньо пов'язані з підсилювачем з перемикачем (рис. 1).

Мал. 4 Схема LC генераторів, що використовується в приймаючому і передавальному тракті

Мікшер

Схема змішувача є збалансованою коміркою Гілберта з симетричними LO і RF входами. Диференціальний вихід з'єднаний з VGA дає диференціальний сигнал до демодулятора.