RESUMEN DEL PROYECTO.

Una manifestación de la tendencia humana por generar entornos confortables, se evidencia en su afán por suplir la necesidad básica de comunicación. Tener la posibilidad de acceder a la información en cualquier lugar, condición y tiempo ha impulsado la demanda de sistemas portátiles. Como respuesta a esta creciente demanda, la academia y la industria electrónica han desarrollado sistemas de transmisión y recepción inalámbricos (transceivers) los cuales han adquirido gran importancia en el escenario tecnológico mundial. Este proyecto propone el diseño e implementación de un transceiver integrado en tecnología CMOS de muy bajo consumo de potencia, para ser usado en aplicaciones de corto alcance cumpliendo con las especificaciones mínimas del estándar Bluetooth. El circuito integrado resultante motivará el proceso de formación y estudio de la microelectrónica mediante la orientación del trabajo realizado en las aulas, hacia el diseñoo electrónico pensando en sistemas integrados; solucionando con esto el problema radicado en la concepción de sistemas discretos que se tiene en el área de la electrónica a nivel local, los cuales carecen de competitividad en el ámbito mundial, abriendo la posibilidad a que estos sistemas integrados sean implementados, de acuerdo con las opciones de fabricación a nivel académico sin ningún costo o a costos muy bajos [1, 2]. Lo anterior, permitirá establecer un precedente tecnológico que le demuestre a la industria nacional que la academia es una opción real para el diseño de circuitos integrados, tornando viable futuras inversiones en esta área. Adicionalmente, se reforzará presentando publicaciones a la comunidad académica internacional, indicando que la academia Colombiana está interesada en el estudio y desarrollo de nuevas tecnologías. [1] Circuits Multi-Projects, CMP Std., 2004. [Internet]. Visite: http://cmp.imag.fr/ [2] Integrated Circuit Prototype Fabrication and Low Volume Production, MOSIS Service, MOSIS Std., 2004. [Internet]. Visite: http://www.mosis.org/

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Inicialmente, la industria desarrolló circuitos de radiofrecuencia en tecnologías de buen desempeño a altas frecuencias (Bipolar, GaAs, BiCMOS). No obstante, los altos costos de esas tecnologías y la incompatibilidad de integración con los circuitos de procesamiento de datos digitales, los cuales son comúnmente realizados en tecnología CMOS, comprometen la disminución de costos y tamaño de los sistemas inalámbricos. Un transceiver esta conformado por un sistema de radiofrecuencia (RF) y un sistema de procesamiento de datos. El continuo escalamiento de las dimensiones en la tecnología CMOS ha permitido mayor integración y mejor desempeño de los circuitos digitales y, también, el aumento en la frecuencia de operación ha perfilado la tecnología CMOS como una opción viable para implementación de circuitos RF. Obtener las especificaciones mencionadas, no es ajeno al alcance de las investigaciones que se pueden gestar en nuestro contexto académico colombiano. Colombia no cuenta en la actualidad con el desarrollo tecnológico necesario para la producción de circuitos integrados. Los diferentes sistemas y equipos electrónicos utilizados en el país, son en su gran mayoría importados de países donde esta rama del sector productivo ha alcanzado un alto nivel de desarrollo. Las cifras por concepto de estas importaciones ascienden aproximadamente al 36% del total de las importaciones hechas en los tres últimos años. Los altos costos de estos sistemas se ven representados tanto en su valor comercial como en los pagos por impuestos de importación, que incluyen transporte y otros aranceles comerciales. Lo anterior ha llevado a que la adquisición de sistemas electrónicos fácilmente accesibles en otros paises, sean de difícil obtención por personas de bajo poder adquisitivo en nuestro país. Las grandes compañías volcaron sus investigaciones hacia el desarrollo de dispositivos de mayor desempeño, menor consumo de potencia, menor tamaño y más económicos. Sin embargo ante las presiones comerciales no se presentaban espacios para el desarrollo prolongado de nuevos dispositivos, por tanto las tecnologías de la época se mantuvieron casi invariantes. Por otra parte las universidades, libres de intereses y presiones monetarias, iniciaron una etapa de experimentación con tecnologías hasta ese entonces poco estudiadas, dando como resultado nuevos descubrimientos en los campos de la tecnología CMOS. El sistema de transmisión y recepción inalámbrico dentro de un mismo dispositivo (transceiver integrado) viene siendo foco de estudio en la actualidad. Este dispositivo es el encargado de recibir y transmitir señales, por lo tanto, constituye uno de los elementos más importantes dentro de un sistema de comunicación inalámbrico. En resumen, en este proyecto se propone el diseño e implementación de un transceiver integrado en tecnología CMOS de muy bajo consumo de potencia, para ser usado en aplicaciones de corto alcance.

ARQUITECTURA DEL RECEPTOR

La arquitectura superheterodina ha sido ampliamente usada como arquitectura para receptores inalámbricos. Pero desde que el desarrollo de sistemas portátiles apunta a la disminución del factor tamaño, costo y potencia, la arquitectura de conversión directa comenzó a ser interesante para la implementación del receptor. Receptores con conversión directa también llamada arquitectura homodina o zero-IF (Frecuencia Intermedia igual a cero), son integrables en un solo chip ya que no son necesarios los filtros selectivos que trabajan a frecuencias intermedias, los cuales generalmente deben ser implementados fuera del chip. Sin embargo, esta arquitectura mantiene desventajas como la alta sensibilidad a las tensiones offset DC, infiltraciones del oscilador local, desbalance entre la ruta de señal directa (I) y la ruta de la señal en cuadratura (Q), así como la distorsión de orden par y ruido flicker que contaminan la señal banda base de frecuencia cero [4]. Una alternativa a la arquitectura de conversión directa es la arquitectura de conversión con Frecuencia Intermedia (FI) cercana a cero, también llamada de baja FI. Esta arquitectura es similar a la arquitectura de conversión directa, en la que la señal de RF es llevada a banda base en un solo paso. Sin embargo, la señal deseada no es exactamente banda base y entonces los valores DC debidos a infiltraciones del oscilador local, la distorsión de orden par y el ruido flicker no contaminan la señal. De igual forma que en la conversión directa, el problema de las frecuencias imagen se mantienen como en el caso de la arquitectura superheterodina. Debido a que la frecuencia de la señal bajada a una FI cercana a cero debe ser elevada para disminuir los efectos del ruido flicker, el conversor Analóigico-Digital (A/D) requiere cumplir con las especificaciones de velocidad según el valor de la FI seleccionada. [4] B. Razavi, RF Microelectronics. McGraw-Hill, 1998, ch. 2.

Amplificador de Bajo Ruido y Mezclador

El problema de diseño del amplificador de bajo ruido y del mezclador de señal en tecnología CMOS, pretende ser abordado en este trabajo mediante la adaptación de metodologías ya existentes en la literatura, cumpliendo con los compromisos entre cada una de las variables de diseño para una aplicación Bluetooth 2.45GHz con una arquitectura de conversión directa. Ir a página del proyecto

Oscilador Controlado por Voltaje

Los osciladores controlados por voltaje (VCO) juegan un papel importante en los procesos de modulación y demodulación en sistemas de comunicación inalámbricos. Para realizar esta función dentro de los límites de calidad exigidos, el diseño de un VCO integrado debe negociar la selección de parámetros, para alcanzar las especificaciones propuestas, de tal forma que converjan en la reducción de consumo de potencia, así como la mitigación de ruido de fase y distorsión de señal. Se adaptará una metodología de diseño para un VCO que cumpla las anteriores condiciones, dentro de los requisitos de frecuencia central y ruido de fase para un sistema Bluetooth IEEE 802.11b. Ir a página del proyecto

ARQUITECTURA DEL TRANSMISOR

El transmisor con arquitectura de conversión directa, requiere pocos componentes en comparación con otras arquitecturas. Los componentes requeridos para la arquitectura de conversión directa son fácilmente integrables, lo que hace esta arquitectura interesante en la implementación del transmisor en un circuito integrado (on-chip). Entre las desventajas de la conversión directa se destacan, la infiltración de la señal del oscilador local hacia la señal RF, la infiltración de la gran señal de salida RF hacia el mezclador y el oscilador llevando a una posible desintonia del mismo. Entre los bloques que conforman el transmisor aun no mencionados en el presente marco teórico, se encuentran el conversor digital-analógico y el amplificador de potencia.

Conversor Digital - Analógico

Este proyecto plantea el diseño de un DAC, para ser utilizado dentro de la etapa de Transmisión de un transceiver integrado en tecnología CMOS. El dispositivo diseñado debe cumplir con los requerimientos de ancho de banda, resolución, rango dinámico, error INL y DNL, de acuerdo con las especificaciones de un transceiver, intentando obtener un alto rendimiento. Adicionalmente se debe tratar ocupar la menor área posible y tener una baja disipación de potencia, como requerimientos de la portabilidad del sistema. Ir a página del proyecto