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 10W 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