SSE Smart System-Engineering HF-Front-Ends Thorsten Fahlbusch HF-Front-Ends ITG - Abschlußworkshop Folie 1 Modellschablonen im HF-Front-End Entwurf Entwurfsmethodik

HF-Front-Ends ITG - Abschlußworkshop

Folie 1

SSESmart System-Engineering HF-Front-Ends

Thorsten Fahlbusch

Modellschablonen im HF-Front-End Entwurf

Entwurfsmethodik

für integrierte Höchstfrequenzsysteme

zukunftsorientierter Kommunikationstechniken

(HF-Front-Ends)

Referent:

Thorsten Fahlbusch

Atmel Wireless & Microcontrollers

Theresienstraße 2

74072 Heilbronn


Folie 2


Thorsten Fahlbusch

Was ist eine HF-Modellschablone ?

Eine HF-Modellschablone ist ein Beschreibungsmittel mit dem sich das Verhalten von HF-Schaltungsblöcken nachbilden läßt.

Klassen von Modellschablonen:

• Pegelplanmodelle

• Macromodelle

• Hochsprachenmodelle Rin

Rout

Tanh


Folie 3


Thorsten Fahlbusch

Pegelplanmodelle

HF-Blöcke werden durch eine Tabelle mit HF-Schaltungsparametern beschrieben.

2000 3456 1100000 -100 nom

290 -40 21,0714 4,52E-12

Number of stages: 15 Diversity-Switch Preselector T/R-Switch Diel.-BPF LNA IR-Filter IR-Mixer1 2 3 4 5 6 7

Center frequency [MHz] 2000 2000 2000

Reference resistance of stage [Ohm] 50 50 50 50 50 50 50Signal voltage [µVrms] 5 5, 4,46 3,75 2,98 29,78 21,08Signal power [dBm] -93,0103 -93,01 -94,01 -95,51 -97,51 -77,51 -80,51

Voltage gain of stage 0 -1 -1,5 -2 20 -3 17,78151Power gain of stage 0 -1 -1,5 -2 20 -3 10

Noisefigure of stage [dB] 0 1 1,5 2 2,5 3 15Additional noisefigure [lin] 0 0,258925 0,412538 0,584893 0,778279 0,995262 30,62278

Cascaded powergain [dB] 0 0, -1, -2,5 -4,5 15,5 12,5Cascaded powergain [lin] 1,00E+00 1,00E+00 7,94E-01 5,62E-01 3,55E-01 3,55E+01 1,78E+01Cascaded noisefigure [dB] 0 0, 1, 2,5 4,5 7, 7,02Cascaded noisefigure [lin] 1 1, 1,26 1,78 2,82 5,01 5,04Noiselevel [dBm/Hz] -173,98 -173,98 -173,98 -173,98 -173,98 -151,48 -154,45Cascaded noisetemperature [K] 2,90E+02 2,90E+02 2,90E+02 2,90E+02 2,90E+02 5,16E+04 2,60E+04Cascaded noiselevel [dBm] -123,98 -123,98 -123,98 -123,98 -123,98 -101,48 -104,45Cascaded S/N [dB] 30,97 30,97 29,97 28,47 26,47 23,97 23,94

TEMIC-DECTSignalfreq. [MHz]

Antennatemp. [K]Bandwidth [Hz]

IM3 offset [kHz]

Required S/N [dB] Achieved Biterror

Input IM3D [dBm]IM source [dBm]

Demodulator:

SensitivityMDS [dBm]

Output IM3D [dBc]Achieved S/N [dB]

Loss [dB] SFDR [dB]

Kenngrößen und Signale werden durch algebraische Ausdrücke berechnet.


Folie 4


Thorsten Fahlbusch

Makromodelle

• Einfache Verhaltensmodelle für wenige Schaltungsparameter

Verstärkung Nichtlinearitäten (Kompressionspunkt) Mischereigenschaften (Multiplikation) Frequenzgang (H(S)-Übertragungs-

funktion)

Die modellierten Eigenschaften in den Makromodellen sind:


Folie 5


Thorsten Fahlbusch

Für drei Schaltungsklassen existieren Makromodelle mit individuellen Strukturen:

Verstärker:

Mischer:

Filter:

H(S)

Rin

Rout


Folie 6


Thorsten Fahlbusch

Makromodelle und das MDSEine Systemspezifi-

kation läßt sich mit Hilfe von Makromodellen in das MDS überführen:


Folie 7


Thorsten Fahlbusch

Hochsprachenmodelle für HF-DesignIndividuell anpaßbare Verhaltensmodelle für HF-Blöcke

Es existieren Hochsprachenmodelle für folgende HF-Schaltungsklassen:

• Verstärker

• Filter

• Mischer

• Balun

• lin. Zweitor (Streuparameter)

• VCO

• Frequenzteiler

• Splitcell

• Phasendetektor

Typische Funktionalitäten:

• Portstrukturen (balanced / unbalanced)

• Portbeschaltung (Eingangstiefpaß, ...)

• DC-Offset

• Rauschen (korreliert / unkorreliert)

• Nichtlinaritäten

• Parameterabhängigkeiten

• Crosstalk

• Auswahl an Filtertypen

• Auswahl an Modellschablonen


Folie 8


Thorsten Fahlbusch

Strukturdiagramm eines Mischermodells


Folie 9


Thorsten Fahlbusch

FiltermodelleCharakterisierungsergebnisse zu einem Filtermodell

S21 eines Tiefpaßmodells Rauschzahl eines Tiefpaßmodells


Folie 10


Thorsten Fahlbusch

VCOEinschwingverhalten eines VCO-Modells


Folie 11


Thorsten Fahlbusch

Parameter- und Strukturanpassung

• Export einer Spezifikation aus dem Pegelplantool

• Start des Modellgenerators zur Generierung simulierbarer Strukturen

Pegelplantool Parameterfile

Weitere Parameterund

Strukturinformationenzum Front-End

Modellschablonen

Modelle undNetzlisten

Modellgenerator


Folie 12


Thorsten Fahlbusch

Hochsprachenmodelle werden angepaßt durch Parameter- und Strukturinformationen

aus dem Pegelplan

PegelplanExport der Netzliste

HDL-Modell Parameter aus Pegelplan Signal Ports Datenübergabe Modell - Pegelplan

Simulation Protokolldatei Funktionalität des Pegelplans,

erweiterbar

HDLHDL

Parameter

ProtokollCascaded Powergain [dB]Cascaded Noisefigure [dB]Noiselevel [dBm/Hz]Cascaded Noisetemperature [K]Selectivity contribution [dB]usw.

ProtokollCascaded Powergain [dB]Cascaded Noisefigure [dB]Noiselevel [dBm/Hz]Cascaded Noisetemperature [K]Selectivity contribution [dB]usw.

ExtraktionExtraktion

Signal

Noise

Number of stages: 8 Diel. BPF LNA Split loss I/Q Mixer BB Filter 1 BB Amp 1 BB Filter 2 BB Amp 2nom. 1 nom. 2 nom. 3 nom. 4 nom. 5 nom. 6 nom. 7 nom. 8 nom.

Center frequency [MHz] 2000 2.5

Reference resistance [Ohm] 50 50 50 50 200 200 200 200 1000Signal voltage [µVrms] 11.21 8.4 47.26 33.46 158.68 89.23 355.23 355.23 7.94E+05Signal power [dBm] -86 -88.5 -73.5 -76.5 -69. -74. -62. -62. -2.

Voltage gain of stage -2.5 15 -3 13.521 -5 12 0 66.99Power gain of stage -2.5 15 -3 7.5 -5 12 0 60

Noisefigure of stage [dB] 2.5 2 3 12 5 6 0 10Additional noisefigure [lin] 0.7783 0.5849 0.9953 14.849 2.1623 2.9811 0 9

Cascaded powergain [dB] 0 -2.5 12.5 9.5 17. 12. 24. 24. 84.Cascaded powergain [lin] 1.00E+00 5.62E-01 1.78E+01 8.91E+00 5.01E+01 1.58E+01 2.51E+02 2.51E+02 2.51E+08Cascaded noisefigure [dB] 0 2.5 4.5 4.59 6.57 6.61 6.79 6.79 6.82Cascaded noisefigure [lin] 1 1.78 2.82 2.87 4.54 4.58 4.77 4.77 4.81Noiselevel [dBm/Hz] -173.98 -173.98 -156.98 -159.89 -150.41 -155.37 -143.19 -143.19 -83.16Cascaded noisetemperature [K] 2.90E+02 2.90E+02 1.45E+04 7.43E+03 6.60E+04 2.11E+04 3.48E+05 3.48E+05 3.50E+11Cascaded noiselevel [dBm] -106.99 -106.99 -89.99 -92.9 -83.42 -88.38 -76.2 -76.2 -16.17Cascaded S/N [dB] 20.99 18.49 16.49 16.4 14.42 14.38 14.2 14.2 14.17

Inp. 1dB CP of stage [dBm] 100 -10 100 0 100 5 100 -48Inp. 1dB CP of stage [mW] 1E+10 0.1 1E+10 1 1E+10 3.1623 1E+10 2E-05Cascaded input P1dB [mW] 1E+99 1E+10 0.177828 0.177828 0.068795 0.068795 0.051157 0.051157 6.31E-08Cascaded input P1dB [dBm] 990 100. -7.5 -7.5 -11.62 -11.62 -12.91 -12.91 -72.Compression warning Ok Ok Ok Ok Ok Ok Ok Ok

Output IP2 of stage [dBm] 100 100 100 60 100 60 100 20Cascaded output IP2 [dBm] 1.00E+03 100. 98.58 91.49 59.9 54.85 56.75 56.69 20.Cascaded input IP2[dBm] 102.5 86.08 81.99 42.9 42.85 32.75 32.69 -64.

Output IP3 of stage [dBm] 100 15 100 22 100 10 100 20Cascaded output IP3 [dBm] 1.00E+03 100. 15. 12. 17.56 12.56 9.85 9.85 20.Cascaded input IP3 [dBm] 102.5 2.5 2.5 0.56 0.56 -14.15 -14.15 -64.

Selectivity contribution [dB] 0 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 180. 180. 0. 180. 180. 360. 0. 360.Select. output IP3 of stage [dBm] 100. 15. 100. 22. 100. 190. 280. 380.Casc. selective output IP3 [dBm]1.00E+03 100. 15. 12. 17.56 12.56 24.56 24.56 84.56Casc. selective input IP3 [dBm] 102.5 2.5 2.5 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56IM generatorlevel [dBm] -15. -17.5 -2.5 -5.5 2. -3. 9. 9. 69.IM3 contribution of stage -15. -17.5 -2.5 -5.5 2. -3. 9. 9.Selective IM3 level [dBm] -15. -11.48 7.04 6.54 15.98 12.56 25.9 27.06 88.08Selective IM3 level [dBc] 71. 77.02 80.54 83.04 84.98 86.56 87.9 89.06 90.08

TEMIC-DECT

Changesymbol

Add newstage

Removestage

Signalfreq. [MHz]

Antennatemp. [K]Bandwidth [Hz]

IM3 offset [kHz]

Required S/N [dB] Achieved Biterror

Input IM3D [dBm]IM source [dBm]

Demodulator:

SensitivityMDS [dBm]

Output IM3D Achieved S/N [dB]

Loss [dB] SFDR [dB]Simulationexport

Toleranceon / off

Recalculate

2000500000290

5000-15

0-15

0 6,715E+1-1,002E+2-1,002E+29,008E+17,31E-4

1,417E+1Nom


Folie 13


Thorsten Fahlbusch

A-HDL Modellibrarys unter Cadence

• hf_lib_parammodels

• hf_lib_templates

• hf_worklib:

Wird beim Importieren einer

Struktur angelegt.


Folie 14


Thorsten Fahlbusch

Start der Skill-Routine und erstellen der „hf_worklib“• Die Arbeitsbibliothek „hf_worklib“ wird angelegt.

• Die Zellen mit den HF-Blockmodellen und ein Template-Schematic werden entsprechend der Vorgabe aus dem Pegelplantool von der Bibliothek „hf_lib_templates“ in die „hf_worklib“ kopiert.

• Modellschablonen werden an die Spezifikation der HF-Blöcke aus dem Pegelplantool angepaßt und in die A-HDL Views der „hf_worklib“ integriert.


Folie 15


Thorsten Fahlbusch

Schematic des Demonstrators nach dem Import


Folie 16


Thorsten Fahlbusch

Transparenz zwischen Schaltung und Modell

Schaltungen und Modelle können alternativ ausgewählt werden.


Folie 17


Thorsten Fahlbusch

Direct Conversion Receiver (Demonstrator)


Folie 18


Thorsten Fahlbusch

Vergleich: Schaltung und Modell (1)

Transientes Signal an Ein- und Ausgang des BB-Filter1 (BB-Filter1 als

SiGe-Transistorschaltung) und Spektrum (links: Eingangssignal, rechts: Ausgangssignal)


Folie 19


Thorsten Fahlbusch

Transientes Signal an Ein- und Ausgang des BB-Filter1 (BB-Filter1 als Hochsprachenmodell) und Spektrum (links: Eingangssignal, rechts: Ausgangssignal)

Vergleich: Schaltung und Modell (2)

Documents

SSE Smart System-Engineering HF-Front-Ends Thorsten Fahlbusch HF-Front-Ends ITG - Abschlußworkshop Folie 1 Modellschablonen im HF-Front-End Entwurf Entwurfsmethodik