RX-Schalter

Überblick über Duplexer-Schaltungen und TX/RX-Schalter TX/RX Station Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP Sender PA Modulator von TX DSP Roland...
Author: Evagret Pohl
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Überblick über Duplexer-Schaltungen und TX/RX-Schalter TX/RX

Station Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

Roland Pfeiffer 9. Vorlesung

Auswahl einer TX/RX Verbindung Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, für GSM eine Verbindung vom Single-Chip-Handy mit der Antenne auszuwählen.

Ihre Aufgaben: -Duplex-Verfahren GSM-Standard, Problemstellung, wieso nicht zwei Antennen ? -FDD: verschiedene Formen von Bandfiltern -TDD: Umschalter „TX/RX switch“  Auswahl einer Verbindung Chip/Antenne

Time Division Duplexing (TDD) Prinzip: für Sprechen und Hören werden eine einzige Frequenz verwendet, die dann gleichmäßig zeitlich aufgeteilt wird

Pause

Pause

„Sprechen“

Pause

„Hören“

Pause

„Sprechen“

„Hören“

t

Station

Frequency Division Duplexing (FDD) Prinzip: für Sprechen und Hören werden zwei unterschiedliche Funkverbindungen („Channels“) verwendet z. Bsp. Funkkanalnummer 102 „Sprechen“

Station

„Hören“

z. Bsp. Funkkanalnummer 59

Global System for Mobile Commucation (GSM) Mobilfunksystem Deutschland seit 1991 („2. Generation“, weltweit führend) Übertragungart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multi-Access: FDMA Bereich 890-915/935-960 MHz, 124 „Channels“ mit 200kHz Breite (1 „Channel“ ungenutzt) kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 992 „traffic channels“ im D-Netz Modulation: GMSK

Frequency Division Duplexing (FDD) Wieso nicht zwei Antennen ?? Forderung: Antennenabstand > Wellenlänge Abschätzung: Wellenlänge 1 GHz, c0=3·108 m/s  30 cm Handy: Probleme bei der räumlichen Trennung zur Interferenz-Vermeidung !

Station

Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

Frequency Division Duplexing FDD Definition eines Duplexers:

Ein Duplexer ist ein Baugruppe, die ein gemeinsames Nutzen einer Antenne bei verschiedenen Frequenzen für RX- und TX-Pfad (FDD) ermöglicht mit möglichst geringer Beeinträchtigung der Signale

Station

TX/RX Aufteilung durch Duplexer

RX

TX

Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

Duplexer hohe Anforderungen an Duplexer von Dynamikbereich: z. Bsp. GSM: 1W TX zu 10W RX = 50 dB !!

LNA

RX Duplexer

TX

schlecht für Duplexer

PA

Frequency Division Duplexing FDD GSM D-Netz: Bereich 890-915/935-960 MHz Flankensteilheit: > 50 dB/20 MHz bei ca. 925 MHz !!!

Receive

Transmit 1

2

3

untere Grenze 890 Mhz

4

5

...

124 125

.....

1

2

3

obere Grenze untere Grenze 915 Mhz 935 Mhz

4

5

...

124 125

obere Grenze 960 Mhz

Frequency Division Duplexing FDD Ausführung des Duplexers durch Filterschaltungen: Bandpaß-Filter

„Notch“-Filter (Bandsperre) Bandpaß+„Notch“-Filter

-

+

-

+

-

+

Station

RX

TX

Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

Frequency Division Duplexing FDD Kennlinie eines Duplexers:

Tx Band

Rx Band

Frequency Division Duplexing (FDD) Aufgabe: Wägen Sie die Vorteile und Nachteile von aktiven Filter ab !! Vorteil:

-abstimmbar während des Betriebes

Nachteil: -Stromverbrauch -Filter-Rauschen (aktive Bauelemente) im RX-Pfad -Filter-Verluste im TX-Pfad

Station

RX

TX

Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

Frequency Division Duplexing (FDD) Aufgabe: Wägen Sie die Vorteile und Nachteile von passiven Filter ab !! Vorteil:

-kein Stromverbrauch

Nachteil: -nicht abstimmbar während des Betrieb -„je höher der Grad des Filters, desto „schärfer“ die Frequenzbegrenzung, aber desto größer die Dämpfungsverluste !! Station

RX

TX

Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

Frequency Division Duplexing (FDD) Ausweg für scharfe Frequenzbegrenzung bei niedrigen Verlusten:

„Surface Acoustic Wave“-Filter

Station

RX

TX

Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

Frequency Division Duplexing (FDD) Prinzip eines „Surface Acoustic Wave (SAW)“-Filters: -SAW-Filter übersetzt: Akustische Oberflächenwellen-Filter -basiert auf den piezoelektrischen Effekt  piezoelekrische Substrate -oberflächengebundenen („surface“) Druck-Wellen („wave“) mit niedriger Ausbreitunggeschwindigkeit („acoustic“) -Wandler elektrisches Signal-akustische Oberflächenwelle: interdigitale Elektrodenstrukturen („Interdigitalwandler“) Interdigitalwandler GL1

1

n

2

p/2

N

piezoelektrisches Substrat

wn w0

Wellensumpf

Frequency Division Duplexing (FDD) Prinzip eines „Surface Acoustic Wave (SAW)“-Filters: - „einfache“ Filter : zwei interdigitale Elektrodenstrukturen, die auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind

Wellensumpf GL1

Interdigitalwandler

Interdigitalwandler

GL2

piezoelektrisches Substrat Wellensumpf

lm

piezoelektrisches Substrat

Frequency Division Duplexing FDD Haupt-Problem eines SAW-Duplexers: nicht zusammen mit Single-Chip-Handy integrierbar !!

„Single-chip-Handy“ : Integration aller Funktionen auf einem einzigen Chip

TX/RX

Station

RX AFE

RX DSP

TX AFE

TX DSP

AA D

AA D

Frequency Division Duplexing FDD Haupt-Problem eines SAW-Duplexers: nicht zusammen mit Single-Chip-Handy integrierbar !! piezoelektrische Substrate (z.Bsp. Lithiumniobat) elektr. Spannung = Oberflächenwelle Oberfläche „bewegliche Abmessungen”

Halbleiter (z.Bsp. Si, GaAs) elektr. Spannung  Oberflächenwelle Oberfläche „starre Abmessung”  Funktion der Bauelemente (CMOS: starres W/L)  Schaltung integrierbar !!

Frequency Division Duplexing (FDD) Problem eines SAW-Duplexers: Größe des SAW-Duplexers

BauteilGröße [mm2]

15 x 6,5

13 x 6,5 7x5 5x5 5x3 2,5 x 2 1,4 x 1,1 ?? x ??

1997

2000

Frequency Division Duplexing (FDD) Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR)-Filter Funktionsweise ähnlich wie SAW-Filter, nur Ausbreitung der akustischen Wellen im Substrat („Bulk“)

Frequency Division Duplexing (FDD) in Zukunft: Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR)-Filter Vorteil: -geringe elektrische Verluste im Durchlassbereich -geringe Baugröße -hohe Leistungsverträglichkeit -Integrierbarkeit in HF-Module -steile Flanken an den Rändern des Durchlassbereiches

Nachteil: -schwierige Herstellung

Frequency Division Duplexing (FDD) Bezeichnung der Eigenschaften des Duplexers: Beispiel: GSM Transmit Filter 890-915 MHz

RX

TX

Frequency Division Duplexing (FDD) Bezeichnung der Eigenschaften des Duplexers: Beispiel: GSM Receive Filter 935-960 MHz

RX

TX

Frequency Division Duplexing FDD GSM D-Netz: Bereich 890-915/935-960 MHz Flankensteilheit: > 50 dB/20 MHz bei ca. 950 MHz !!!

Receive

Transmit 1

2

3

untere Grenze 890 Mhz

4

5

...

124 125

.....

1

2

3

obere Grenze untere Grenze 915 Mhz 935 Mhz

4

5

...

124 125

obere Grenze 960 Mhz

Global System for Mobile Commucation (GSM) Mobilfunksystem Deutschland seit 1991 („2. Generation“, weltweit führend) Übertragungart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multi-Access: FDMA Bereich 890-915/935-960 MHz, 124 „Channels“ mit 200kHz Breite (1 „Channel“ ungenutzt) kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 992 „traffic channels“ im D-Netz Modulation: GMSK

ähnlich TDD !! TX nicht zu gleicher Zeit wie RX TX 890-915 MHz

RX

935-960 MHz t

Frequency Division Duplexing (FDD) Aufgabe: Wie könnten Sie den GSM-Standard bezüglich TDMA zur Trennung von TX und RX Pfad ausnützen und welchen Vorteil haben Sie davon ? Antwort: Übertragungart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multi-Access: FDMA Bereich 890-915/935-960 MHz, 124 „Channels“ mit 200kHz Breite (1 „Channel“ ungenutzt) kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 992 „traffic channels“ im D-Netz Modulation: GMSK TX RX t

Prinzip des TX/RX Schalters Lösung: bei Single-Chip Handys zusätzlich ein „Umschalter“ („Transmit/Receive-Switch“) Vorteil:

-zusätzliche „Rejection“ für „Single-chip“ Handys nötig

Nachteil:

-„insertion loss“ ca. 1dB

Station

RX

TX

Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

TX/RX Schalter Schalter: „Single-Pole Double-Throw“ Schalter Schalter-Nomenklatur: „Pole: wieviele Schaltkreise können gleichzeitig durch den Schalter aktiviert werden („Eingänge“)  „Single-Pole“: ein Schaltkreis aktiv (Sender oder Empfänger)

„Throw“: Anzahl der Schaltkreise, die von dem Schalter bedient werden („Ausgänge“)  „Double-Throw“ zwei Schaltkreise (Sender/Empfänger)

Idealfall: „Aus“: Isolation „Ein“: 0 Ohm

Realfall: „rejection“ „insertion loss“

TX/RX Schalter Beispiele zur Schalter-Nomenklatur: „einpoliger Ein/Aus-Schalter“:  „Single-Pole Single-Throw“ „einpoliger Umschalter mit zwei Ausgängen“:  „Single-Pole Double-Throw“

„einpoliger Umschalter mit vier Ausgängen“:  „Single-Pole 4-Throw“ „zweipoliger Umschalter mit je zwei Ausgängen“:  „Double-Pole Double-Throw“

TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS:

Antenne

VC: Voltage Control

VC

VC

Sender

Empfänger VC

VC

hochohmiger R -NMOS-Transistoren wegen höherer Beweglichkeit der Elektronen -hochohmiger Widerstand dient zum Festlegen der Masse, keine Funktion HF-mäßig

TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS: Frage: In welchem Betriebsbereich werden die Transfer-Transistoren betrieben? Welche Größen beeinflussen das RON der TransferTransistoren (kleinsignalmäßig)? Antwort: ??

VC

VC

Sender

Empfänger VC

VC

TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS: Antwort: Widerstandsbereich, RON=1/gO 0   gO  S

IDS

WB

SB

gO  S:

UDS Technologie

hoch hoch Technologie

0 Volt

W g 0  k N   U GS  U TN   U DS  L VC

VC

Sender

Empfänger VC

VC

TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS: M. Madihian et al., „CMOS RF ICs for 900MHz-2.4 GHz Band Wireless Communication Networks“, 1999 Radio Frequency Integrated Circuits Symposium

300/0.25 NMOS, 2 Volt Versorgungsspannung, R1-R4 wegen parasitärem RF-Signal an Gates, keine Angabe über Dämpfungseigenschaften

TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS: F.-J. Huang, K. O, „A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 dB Insertion Loss Implemented in a 0.5-m CMOS Process“, 2000 Custom Integration Circuits Conference

Biasing u.a. zur Verbesserung des Dynamikbereiches

TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS: F.-J. Huang, K. O, „A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 dB Insertion Loss Implemented in a 0.5-m CMOS Process“, 2000 Custom Integration Circuits Conference

aufgrund der Simulationsergebnisse: W/L=600/0.5 verwendet viele Substratkontakte zur Vermeidung von Substratwiderständen

TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS: F.-J. Huang, K. O, „A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 dB Insertion Loss Implemented in a 0.5-m CMOS Process“, 2000 Custom Integration Circuits Conference

Insertion loss Rejection

 0,8 dB  40 dB

Prinzip des TX/RX Schalters Lösung: bei Single-Chip Handys zusätzlich ein „Umschalter“ („Transmit/Receive-Switch“) Vorteil:

-zusätzliche „Rejection“ für „Single-chip“ Handys nötig

 40 dB min. 20 dB Dämpfung Dämpfung

> 50 dB !! ausreichend für GSM

Station

RX

TX

Verstärker LNA

Demodulator

zu RX DSP

Sender PA

Modulator

von TX DSP

TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS: F.-J. Huang, K. O, „A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 dB Insertion Loss Implemented in a 0.5-m CMOS Process“, 2000 Custom Integration Circuits Conference



TX/RX Schalter „Single-Pole Double-Throw“ Schalter in CMOS (Weiterentwicklung): F.-J. Huang, K. O, „Single-Pole Double-Throw CMOS Switches for 900MHz and 2.4-GHz Applications on p- Silicon Substrates“, Journal of Solid State Circuit Januar 2004 -0,18µm Technologie, SPDT 0,35µm wegen besserer Spannungsfestigkeit -Impedanztransformation zum besseren Power-Handling

Zusammenfassung     

Problemstellung FDD: Prinzip des Duplexers zusätzlich Single-Chip Handy: TX/RX switch Zusammenfassung Literaturhinweise

Weitere Entwicklung

Weitere Entwicklung

Weitere Entwicklung

Weitere Entwicklung

Auswahl einer TX/RX Verbindung Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, für GSM eine Verbindung vom Single-Chip-Handy mit der Antenne auszuwählen. Ihre Aufgaben: -Duplex-Verfahren GSM-Standard, Problemstellung -FDD: verschiedene Formen von Duplexern -TDD (FDD mit TDMA): Umschalter „TR/RX switch“  Auswahl einer Verbindung Chip/Antenne passives SAW-Filter (off-chip) + TX/RX switch wegen Dämpfung

Literaturhinweise Bücher: -B. Razavi, „RF Microelectronics“ ,Prentice Hall, 1998, ISBN 0-13-887571-5 -Meinke/Gundlach, „Taschenbuch der Hochfrequenztechnik“, Springer-Verlag, ISBN 3-540-54717-7 Veröffentlichung: -M. Madihian et al., „CMOS RF ICs for 900MHz-2.4 GHz Band Wireless Communication Networks“, 1999 RFIC Symposium -F.-J. Huang, K. O, „A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 dB Insertion Loss Implemented in a 0.5-m CMOS Process“, 2000 Custom Integration Circuits Conference -F.-J. Huang, K. O, „Single-Pole Double-Throw CMOS Switches for 900-MHz and 2.4-GHz Applications on p- Silicon Substrates“, Journal of Solid State Circuit Januar 2004 -Linus Maurer et al., „Future of SAW/BAW Devices in Mobile Radio“ 2012 International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems“ -verschiedene EPCOS-Veröffentlichungen