Diseño de circuitos analógicos sintonizables de alta linealidad para receptores de comunicaciones

Resumen

El gran avance que han experimentado los sistemas de comunicaciones en los últimos años se ha debido principalmente a que la escalabilidad de los circuitos integrados ha permitido incrementar notablemente tanto la velocidad como la funcionalidad de los mismos. Este aumento de las prestaciones de los circuitos de comunicaciones está planteando importantes retos de diseño. Las principales restricciones que se presentan están relacionadas con la linealidad, el consumo de potencia, el ancho de banda, el rango dinámico, la relación señal a ruido y la baja tensión de alimentación. Los nuevos estándares de comunicaciones, basados en modulaciones de múltiples portadoras, han generado la necesidad de diseñar circuitos analógicos de alta linealidad para los receptores de comunicaciones. La existencia de un número elevado de portadoras muy cercanas entre sí provoca que los productos de intermodulación degraden las prestaciones. En el caso de los estándares inalámbricos, el desafío es aún mayor, al tener que combinarse una alta linealidad con un bajo consumo de potencia. La presente tesis persigue el diseño de bloques analógicos de alta linealidad para su empleo en front¿ends de receptores de comunicaciones, que puedan satisfacer los exigentes requisitos de los modernos estándares. Se entrará con más detalle en el diseño de filtros de selección de canal dentro de la sección de banda base del receptor. Además de la alta linealidad, es necesario que los circuitos sean programables para compensar las tolerancias de los procesos de fabricación. Esta tesis aborda una línea de diseño que utiliza el amplificador operacional de transconductancia, o transconductor, como elemento básico constructivo. Los transconductores poseen la capacidad de operar en lazo abierto, lo cual tiene el inconveniente de limitar la linealidad de los mismos, pero como contrapartida les permite manejar señales de frecuencias próximas a su ancho de banda. Estas razones motivan el diseño de transconductores altamente lineales dotados de programabilidad. La sintonía continua requiere de la aplicación de técnicas que no degraden la linealidad, el ancho de banda ni el rango de la señal. En esta tesis se proponen dos transconductores de alta linealidad con topologías muy compactas basadas en la celda seguidor de tensión rotado. En dichos circuitos la conversión tensión-corriente se realiza en los transistores de entrada, que trabajan en la región triodo. En uno de estos transconductores se utiliza la técnica de cascodo regulado para incrementar la ganancia y dotarlo de programabilidad, proponiéndose un nuevo esquema del amplificador auxiliar. Para ambos circuitos se realizan sendos análisis teóricos que estudian la linealidad de los mismos frente a su sintonización. También se ha propuesto un transconductor con etapa de salida en clase AB basada en la técnica de puerta cuasi-flotante (QFG) y con un esquema de incremento de ganancia adicional, que consigue las dos propiedades perseguidas sin un consumo adicional de potencia. Las propiedades de estos tres circuitos han sido aprovechadas en el diseño de varios filtros de canal, dos de ellos de topología Gm-C y un tercero de topología OpAmp-RC, para el estándar de comunicaciones Bluetooth. La implementación de los filtros Gm-C incorpora técnicas de autosintonía, una de ellas novedosa y basada en un esquema de capacidades conmutadas. En cuanto al filtro activo RC, la sintonización se lleva a cabo sustituyendo algunas de las resistencias pasivas por una nueva familia de resistencias activas QFG. La tesis presenta resultados experimentales que avalan los diferentes diseños propuestos.