CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

1.1 MOTIVACIÓN

El simple hecho de ser seres humanos nos hace desenvolvernos en medios donde

tenemos que estar comunicados. Por eso la gran importancia de la transmisión y la

recepción de información, y en la época actual donde los sistemas sin uso de cables

(sistemas inalámbricos) hacen parte de la cotidianidad, es necesario establecer medios

de comunicación eficaces entre ellos.

Una de las tecnologías más prometedoras y discutidas en esta década son los sistemas

de comunicación inalámbricos. Las conecciones de sistemas mediante ondas de radio

frecuencia (RF, Radio Frecuency, por sus siglas en inglés), actualmente están siendo

ampliamente investigadas. Las redes inalámbricas facilitan la operación en lugares

donde los sistemas que se comunican mediante cables no pueden permanecer en un

solo lugar, se deben de resolver varios obstáculos técnicos y de regulación antes de

que las redes inalámbricas sean utilizadas de una manera general (en los sistemas de

comunicación de la actualidad).

Si nos remontamos en la historia, encontramos que las comunicaciones inalámbricas

comenzaron con:

La postulación de las ondas electromagnéticas por James Cleck Maxwell durante

el año de 1860 en Inglaterra.

La demostración de la existencia de estas ondas por Heinrich Rudolf Hertz en

1880 en Inglaterra.

La invención del telégrafo inalámbrico por Guillermo Marconi.

Durante la primera década del siglo XX, dos trayectorias de invención importantes

empezaron a transformar la comunicación inalámbrica primitiva de la era de los puntos

y rayas, en la comunicación del mundo contemporáneo. La primera, y potencialmente la

más importante, se debe a John Fleming, a quien sin restricciones puede considerarse

como el precursor principal de la electrónica y el inventor de la válvula inalámbrica.

CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

Lee de Forest, norteamericano experto en radio que eventualmente habría de lograr

más de 300 patentes a su nombre. La más famosa de estas contribuciones fue convertir

la válvula diodo de dos elementos de Fleming en la válvula tríodo. La válvula tríodo

podía usarse para amplificar una corriente débil hasta hacerla fuerte. Se descubrió

además, unos años después de que se produjeran los primeros triodos, que también

podían utilizarse para la generación de corrientes. Esto facilitó el desarrollo de equipos

transmisores y receptores para las comunicaciones inalámbricas, al incorporar un

conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos; que realizaban las

mismas funciones que el tubo de vació, pero un costo, peso y potencia más bajos, y

una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguiente en la tecnología de semiconductores,

atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de

exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado

planar (IC, Integrated Circuit, por sus siglas en ingles). Estos dispositivos pueden

contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material,

permitiendo la construcción de circuitos transmisores y receptores más complejos.

El rápido avance de la tecnología de los IC’s en estado sólido ha impulsado el

crecimiento de los sistemas de comunicación inalámbricos desde el punto de vista

comercial. La tecnología apunta hacia la fabricación de componentes de alto

desempeño, baja potencia, geometrías pequeñas, bajo costo y alta eficiencia. El uso

extendido de los IC’s en los sistemas inalámbricos ha ocasionado una necesidad de

mejora significativa tanto de la confiabilidad como del desempeño de los equipos

receptores. Estas tendencias han incrementado el uso de las técnicas de diseño de

dispositivos y procesamiento de señales basadas en componentes de silicio. El

escalamiento (cada vez con menor longitud de canal, debido a la Ley de Moore) de los

procesos CMOS1 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, por sus siglas en inglés)

ha forzado a los circuitos analógicos a utilizar niveles de voltaje cada vez más bajos

para su polarización.

El mercado actual de los equipos electrónicos de comunicación ha creado la necesidad

de producir diseños con muy bajo voltaje de alimentación para mayor duración y

1 El transistor MOS en sí mismo es un transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor, por sus siglas en inglés), pero los circuitos integrados incluyendo a los amplificadores de etapa sencilla involucran más de un solo transistor y más de un tipo de transistor haciendo así la combinación de dispositivos y dando lugar a la tecnología CMOS (Complementay Metal Oxide Semiconductor, por sus siglas en inglés). Cuando en el presente trabajo se mencione transistor CMOS ó transistor MOS se estará haciendo referencia al mismo tipo de dispositivo y la misma tecnología.

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CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

portabilidad. Con la finalidad de satisfacer estos requerimientos, es necesario

desarrollar técnicas novedosas que permitan a los circuitos operar a muy bajo voltaje de

alimentación al mismo tiempo de satisfacer las especificaciones de velocidad.

Las tendencias en miniaturización de dispositivos, las necesidades de comunicación

cada vez más rápidas, con mayor portabilidad y con mayor durabilidad de los equipos

en base al ahorro de energía asociado al diseño de sus componentes fundamentales,

han propiciado una mayor demanda en la optimización de los diseños de los equipos de

transmisión y recepción para las comunicaciones o sistemas de comunicaciones

inalámbricas WiMAX.

1.2 JUSTIFICACION.

Los sistemas de comunicación inalámbricos utilizados en las redes WiMAX son

imprescindibles todos los días, debido a sus múltiples aplicaciones. Uno de los

componentes más importantes en los sistemas de recepción WiMAX es el amplificador

de bajo ruido (LNA, Low Noise Amplifier por sus siglas en inglés). El LNA se encuentra

en la primera etapa del receptor y es este el que determina en gran medida la

sensibilidad de este y por tanto la calidad de la etapa receptora. Su función principal es

la de vencer el problema de ruido para las etapas subsiguientes, proporcionando

suficiente ganancia para hacer que la señal sea procesada.

Debido al gran avance tecnológico en la minimización de los procesos de fabricación

nos ha permitido reducir el tamaño de los IC’s. Aunado a ello, el voltaje de alimentación

de los transistores MOS se ve decrementado, por lo que las baterías tienen más tiempo

de durabilidad debido que los circuitos consumen menos corriente por lo tanto los

sistemas tienden hacerse más portátiles. Actualmente, los esfuerzos en diseño se han

enfocado para obtener un alto desempeño con bajos costos industriales.

Por las razones anteriores se presenta este trabajo con el fin de que sirva como eje

fundamental para obtener una metodología de diseño para su mejor optimización en el

desempeño de LNA’s en aplicaciones para redes inalámbricas WiMAX.

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CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

1.3 DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO.

En el trabajo práctico técnico se propone realizar el diseño de un LNA para WiMAX que

opere a voltaje bajo, con alta ganancia, con bajos niveles de ruido en la banda de 2.3 a

2.7 GHz considerando la tecnología 0.25m CMOS AMIS.

En el capítulo l se presentan las principales motivaciones y razones del ¿por qué? el

diseño de un LNA para aplicaciones WiMAX.

Posteriormente en el capítulo II se vera a detalle los fundamentos básicos y parámetros

fundamentales del LNA (figura de ruido, ganancia, ancho de banda, selectividad,

linealidad, acoplamiento, etc.). para el desarrollo del diseño.

Las diferentes técnicas de diseño, para encontrar la mejor selección del LNA y con ello

obtener un correcto funcionamiento y su máximo desempeño a una frecuencia de

operación de la banda de 2.3 a 2.7 GHz utilizando tecnología 0.25 m CMOS AMIS son

presentadas en el capítulo III.

En el capítulo lV, se muestra el diseño, simulación y resultado del LNA propuesto. Esto

se pretende conseguir mediante la presentación de una comparación de características

y desempeño de diferentes tipos de LNA’s, que permitan tener una interpretación clara

de la información presentada, para esto se usan diferentes técnicas de LNA para así

poder seleccionar el LNA adecuado a las necesidades del estándar a satisfacer.

Finalmente una discusión final del proyecto es presentada en el capítulo V.

1.4 OBJETIVO.

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CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

Diseñar un LNA que trabaje a una banda de frecuencias de 2.3 a 2.7GHz, que opere

con una ganancia superior a los 15 dB, con figura de ruido por debajo de los 5dB, por lo

que se requiere que el diseño del amplificador de bajo ruido que trabaje en este rango

de frecuencias ó incluso las sobrepase en su operación en frecuencia siendo

determinante los resultados de simulación. Se considerará el utilizar el proceso de

fabricación 0.25μm CMOS TSMC basándose en la última versión publicada del modelo

BSIM3.

1.4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

Conocer los fundamentos básicos y los parámetros fundamentales de los LNA’s

(Figura de ruido, Ganancia, Ancho de banda, Selectividad, Acoplamiento).

Identificar las diferentes técnicas de diseño para la construcción de LNA’s.

Analizar las ventajas y desventajas de las diferentes técnicas de diseño de

LNA’s.

Describir y simular la técnica de diseño de LNA considerando los resultados de

optimización y factibilidad.

Discutir el diseño final propuesto.

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