Duplexer und TX/RX Schalter
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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 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
