توسط کتاب آرشیو آرشیو اینترنت
LNA پهن باند برای UWB رسیور با استفاده از تغییر مشتق جمع آثار
مقدمه
توسعه سیستم های ارتباطی بی سیم با سرعت بالا باعث افزایش تقاضای دستگاه های RF کم هزینه با پهنای باند چند گیگاهرتزی با کمترین ولتاژ مصرفی و تأمین انرژی می شود. پهنای باند بسیار پهن (IEEE 802.15.3a) به عنوان یک فناوری جدید قادر به سرعت انتقال داده بالا (حداکثر 1 Gb / s) در فواصل کوتاه (10 متر) با قدرت کم ظاهر می شود. این فناوری برای برخی از برنامه ها مانند شبکه های بی سیم منطقه شخصی (WPAN) استفاده می کند و محیطی را برای انتقال صوتی ، تصویری و سایر داده های پهنای باند فراهم می کند. یکی از رویکردهایی که برای استفاده از طیف 3.1-10.6-GHz برای سیستم های UWB تخصیص یافته است ، از مدولاسیون OFDM Multiplexin OFDM با فرکانس Orthogonal با استفاده از زیر باند های 14 استفاده می کند که هر کدام از پهنای باند 528-MHz و یک فرکانس سریع فشرده استفاده می کند [ 1]. در OFDM ، الزامات f حامل حامل عمود بر یکدیگر است. این روش گفتگوی متقابل بین کانالهای فرعی را از بین می برد و بر این اساس باندهای نگهبان بین حامل ضروری نیست. اگرچه استاندارد کامل نشده است ، یک LNA پهن باند جلویی کاملاً بدون توجه به معماری گیرنده ضروری است. آمپلی فایر باید چندین الزام را برآورده سازد ، به عنوان مثال برای رابط با فیلتر پیش فرض و آنتن ، امپدانس ورودی آمپلی فایر باید نزدیک به 50 بالای باند UWB مورد نظر باشد. با این وجود به دست آوردن کافی با پهنای باند گسترده برای غلبه بر نویز میکسر ، شکل نویز کم برای بهبود حساسیت گیرنده ، مصرف کم انرژی برای افزایش عمر باتری ، سطح قالب کوچک برای کاهش هزینه ، پایداری بی قید و خطی خوب پارامترهای مهم هستند. تجارت نزدیک بین آنها وجود دارد. معمولاً با بهبود یکی از آنها ، دیگران ویران می شوند.
دوم مرحله ورودی
تنظیمات دروازه مشترک و کاسکود دو نوع روش است که معمولاً برای طراحی مرحله ورودی LNA در مدارهای CMOS استفاده می شود ، در حالی که ساختار Common-Gate و Cascode به ترتیب یک باند پهن و باند باریک را ارائه می دهند. با این حال ، مرحله مشترک دروازه دارای یک شکل از سر و صداهای ذاتی بالا در مقابل مرحله Cascode است و باید از تکنیک های لغو صدا استفاده کرد.
با این حال امپدانس ورودی با توجه به بایاس و نسبت W / L تنظیم می شود. در واقع این ساختار درجه ای از آزادی برای رسانایی ترانزیستور را در نظر گرفته و همچنین با انتخاب بار مناسب (ترکیب خوبی از سلف و خازن ها با در نظر گرفتن اثر خازن انگلی و بدنه) ، تطبیق ورودی باند پهن را فراهم می کند. این بار باید متناسب با r_ds1 باشد. از آنجا که gm تغییر می کند ، امپدانس ورودی و پهنای باند تطبیق تقریباً برابر با f_T دستگاه است.
خازن ترانزیستور انگلی C_gs با شروع فرکانس کار ، شروع به بازی نقش می کند. در برنامه باند باریک ، یک سلف شنت در مرحله ورودی اضافه می شود تا با استفاده از C_gsto تطبیق امپدانس را در فرکانس مورد نظر افزایش دهد. با این حال در اکثر برنامه های باند باریک CMOS ، آبشار LNA با انحطاط القایی ترجیح داده می شود اما برای جداسازی از ورودی به خروجی و حذف مسیر C_gd ، Common-Gate LNA ایزوله و ثبات معکوس بهتری را در مقابل LNA-Source-Source انجام می دهد.
III. طراحی سیر و تجزیه و تحلیل
LNA باند پهن پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده است. این شامل یک مرحله ورودی و یک مرحله منبع مشترک است. جدول 1 مقادیر طراحی CMOS LNA پیشنهادی را نشان می دهد. تعصب خارج از تراشه T- تعصب دروازه M_3 و مسیر جریان DC M_1 را فراهم می کند. سلف سری L_4 بیشتر با خازن منبع ورودی دروازه از M_3 طنین انداز می شود ، در نتیجه پهنای باند بزرگتر و برخی اوج باقی مانده در پاسخ فرکانس [17]. خازنهای انگلی M_2
شکل 1. LNA بدون سر و صدا باند پهن پیشنهاد شده است
جدول اول
ارزش های پیشنهادی CMOS LNA پیشنهادی
L_in 4nH (W / L) 3 135 / 0.18
L_0 0.5nH (W / L) 4 37.5 / 0.18
L_1 4.5nH (W / L) 5 45 / 0.18
L_2 2.5nH C_in، C_ (خارج) C_3 2PF
L_3 0.9nH C_1 ، C_2 1PF
L_4 2.2nH R_1 290Ω
L_5 0.8nH R_2 135Ω
(W / L) 1 18 / 0.18 R_3 40Ω
(W / L) 2 30 / 0.18
و M_3 یک ساختار نردبان LC با سلف L_0 ایجاد می کنند. مقاومتهای بار DC R_1 و R_2 با سلفهای اوج گرفتن به ترتیب L_1 و L_2 به منظور گسترش پهنای باند مدار به طور مؤثر [10] ترکیب شده اند. سلف اوج سری L_2 همچنین با کل خازن های انگلی C_d2 و C_d3 در تخلیه M_2 و M_3 طنین انداز می شود. از آنجا که مقاومت بار ، R_3 اضافه شده است تا ضریب Q L_3 را برای افزایش مساوی کاهش دهد. حداقل کانال کانال 0.18μm برای کلیه ترانزیستورهای موجود در مدار پیشنهادی در نظر گرفته شده است تا ظرفیتهای انگلی را به حداقل برساند و عملکرد فرکانس را بهبود بخشد. مرحله منبع مشترک پهنای باند را گسترش می دهد ، جداسازی بهتری را فراهم می کند و افزایش فرکانس را افزایش می دهد. در حقیقت مرحله ورودی و مرحله منبع مشترک به ترتیب از افزایش قدرت فرکانس پایین و افزایش توان با فرکانس بالا حمایت می کنند. ترکیبی از هر دو پاسخ فرکانس منجر به افزایش قدرت پهنای باند می شود. ترانزیستور M5 همچنین به مرحله منبع مشترک برای افزایش و افزایش فرکانس صاف کمک می کند. شکل 2 اثر M5 را در پارامتر S21 نشان می دهد.
شکل 2 تأثیر M5 در پارامتر S21
در شکل 3 اثرات M1 به عنوان مرحله ورودی بررسی شده است. پارامتر شبیه سازی NF و S11 با مورد مقایسه شده با M1 خاموش است. یک تجارت نزدیک بین NF و S11 وجود دارد. هنگامی که M_1 روشن است ، NF افزایش می یابد و پارامتر S21 با همان اتلاف برق و پهنای باند مشابه کاهش می یابد ، اما برعکس تطبیق ورودی قابل قبول حاصل می شود. غلظت اضافی باید در مرحله ورودی به مشخصات نویز سازه Common-Gate داده شود ، اگرچه ترانزیستور M_1 تطبیق پهنای باند را فراهم می کند ، اما دارای یک نویز ذاتاً زیاد است.
شکل 3. شکل نویز شبیه سازی شده و جداسازی ورودی با M1 روشن و خاموش است.
به منظور بررسی عملکرد نویز ، از مدل نویز ترانزیستور MOS با نویز حرارتی کانال استفاده شده است. همانطور که در شکل.4 نشان داده شده است ، غفلت از صداهای دروازه و سوسو زدن و فرض یک مسابقه عالی در این تجزیه و تحلیل ، PSD نویز حرارتی کانال (i_ (n ، d) ^ 2) as به شرح زیر است
(i_ (n ، d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do ∆f = 4KT γ / α g_m ∆f (1)
کجا ثابت بولتزمن است ، دمای مطلق کلوین است ، γ ضریب نویز حرارتی کانال ترانزیستور MOS است ، α به عنوان نسبت رسانایی g_ و هدایت تخلیه بایاس صفر g_ds تعریف می شود و پهنای باند است که شکل سر و صدا به ترتیب اندازه گیری می شود.
معادلات زیر شکل نویز را با R_1 ، M_1 ، M_2 و M_3 توصیف می کند که در شکل کلی نویز نقش دارند [1]
شکل 4. اصل شماتیک شماتیک
اگر شرط (2) برقرار شود ، سر و صدای M_1 حذف می شود [1].
g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)
معادلات زیر شکل نویز را R_1 ، M_2 و M_3 توصیف می کنند که در شکل کلی نویز نقش دارند.
F_R1 = (4KT 〖R_1 g_m2〗 ^ 2) / (KTR_s (g_m3 + 〖g_m2 R〗 _1 / R_s) ^ 2) = R_s / R_1 (XNX)
F_M2 = (4KTγ / αg_m2) / (KTR_s 〖(g_m3 + g_1m1 (Z_ (L_R1) ‖r_o1) g_m2)〗 ^ 2) = / XXXXXX = x)
F_M3 = (4KTγ / α g_m3) / (KTR_s (g_m3 + g_m1 (Z_ (L_R1) ‖r_o1) g_m2)〗 ^ 2) ((XNUMUMXsX_) = (XNUMUMXsX_) 〗 ^ 4) (3)
بنابراین ، می توان شکل کل نویز را به عنوان (6) تقریب داد
F_total = R_s / R_1 (1 + γ / α 1 / (g_m2 R_1)) + + (4 γ / α) / (〖g_m3 R〗 _s (1 + R_s g_m1)〗 ^ XNX)
نتیجه IV.Simulation
مدار با نرم افزار Hspice کتابخانه 0.18μm TSMC شبیه سازی شد. تمام شبیه سازی ها با توجه به پایانه های ورودی و خروجی 50Ω انجام می شود. در شکل.5 (a) قدرت به دست آمده و جداسازی معکوس LNA شبیه سازی می شود. متوسط قدرت افزایش تقریباً 14.5 dB است و 0.7 dB در محدوده فرکانس موج می زند. جداسازی معکوس کمتر از -35dB است. شکل.5 (b) شکل نویز ، جداسازی ورودی و خروجی را نشان می دهد. NF کمتر از 2.9 dB است ، S11 کمتر از-14.8db و S22 تقریباً کمتر از -10dB است.
(ب)
شکل 5 (الف) قدرت شبیه سازی شده و جداسازی معکوس ب) شکل نویز شبیه سازی شده ، جداسازی ورودی و جداسازی خروجی
"شکل 6" IIP3 مدار در برابر فرکانس را نشان می دهد.
شکل 7. اندازه گیری IIP3 در مقابل فرکانس
نتایج این کار در "TABLE II" نشان داده شده است و با LNA های CMOS که اخیراً منتشر شده مقایسه می شود.
جدول خلاصه عملکرد 2
ششم نتیجه
در این مقاله طراحی جدیدی از ساختار UWB LNA بر اساس یک فناوری استاندارد RFCMOS ارائه شده است. تطبیق ورودی رضایت بخش و عملکرد نویز پس از مبادله بین امپدانس ورودی مرحله دروازه مشترک و آن بدست می آید. عملکرد نویز اندازه سر و صدای اندازه گیری شده کمتر از 2.9 dB نسبت به 3.1-10.6-GHz است. سود تخت در تمام طراحی های LNA قابل ذکر است و افزایش قدرت شبیه سازی شده 14.5 0.7 dB است.
مراجع
[1] Chih-Fan Liao، و Shen-Iuan Liu، "A Broadband Noise-Cancely CMOS LNA for 3.1-10.6-GHz UWB Receivers" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS، VOL 42 ، نه 2 ، فوریه 2007
[2] Kuang-Chi He، Ming-Tsung Li، Chen-Ming Li، and Jenn-Hwan Tarng، تقویت کننده کم صدا با بازخورد موازی-RC برای برنامه های UWB معاملات IEEE در مدارها و سیستم ها - II: بیان مختصر ، VOL. 57 ، نه 8 ، اوت 2010
[3] ژه-یانگ هوانگ ، چه-چنگ هوانگ ، چون-چیه چن ، چونگ-چی هونگ و چیا-مین چن "یک اتصال سلف
طنین انداز CMOS تقویت کننده کم صدا برای سیستم فوق باند پهن 3.1-10.6GHz "© 2009 IEEE
[4] یانگ لو ، کیت سنگ یئو ، آلپر کابوک ، جیانگو ما ، منه آن دو ، و ژنگهائو لو ”یک طرح تقویت کننده کم صدا با صدای کم CMOS برای گیرنده های بی سیم باند فوق العاده 3.1 تا 10.6 گیگاهرتز” IEEE معاملات ON مدارها و سیستمها – I: مقالات منظم ، جلد. 53 ، نه 8 ، اوت 2006
[5] علی میرواکیلی ، محمد یاوری ، فرشید رئیسی "یک LNA با استفاده مجدد جریان خطی برای گیرنده های UWB 1-10.6 گیگاهرتز" IEICE Electronics Express، Vol.5، No.21,908،914-XNUMX
[6] S. Stroh ، "فوق پهن باند: چند رسانه ای از پریز برق" ، IEEE Spectrum ، ج. 40 ، نه 9 ، ص 23-27 ، سپتامبر 2003.
[7] ولادیمیر آپارین و لارنس ای. لارسون ، همکار ، IEEE "اصلاح شده روش مشتق اصلاح شده برای خطی سازی تقویت کننده های کم سر و صدا FET" معاملات IEEE در نظریه و تکنیک های میکرو ، VOL. 53 ، نه 2 ، فوریه 2005
[8] A. Batra و همکاران ، "پیشنهاد لایه فیزیکی OFDM چند باند" ، IEEE 802.15-03 / 267r5 ، ژوئیه 2003.
[9] مجموعه مقالات Shih-Chih Chen ، Ruey-Lue Wang ، Hslang-Chen Kuo و Ming-Lung Kung Chang-Sing Gao "طراحی تقویت کننده کم صدا با باند کامل (3.1-10.6GHZ) CMOS UWB با لغو نویز حرارتی" کنفرانس مایکروویو آسیا و اقیانوسیه 2006.
[10] SS Mohan ، MDM Hershenson ، SP Boyd و TH Lee ، "گسترش پهنای باند در CMOS با سلف های تراشه بهینه شده" ، IEEE J. Solid-State Circuits، vol. 35 ، نه 3 ، ص 346-355 ، مارس 2000.
[11] Zhe-Yang Huang، Che-Cheng Huang، Chun-Chieh Chen، Chung-Chih Hung و Chia-Min Chen ”تقویت کننده صدای کم CMOS برای سیستم فوق پهن باند 3.1-10.6GHz با یک اتصال القایی”
[12] Chunyu Xin ، Edgar S´anchez-Sinencio "یک تکنیک خط کشی برای تقویت کننده RF LOWNOISE"
[13] جیان یون هو ، یونلیانگ زو و هوی وو ”تقویت کننده کم بازتاب و بازدارنده بازتاب فوق العاده پهنای باند با لغو صدا
در 0.18μm دیجیتال CMOS ”978-1-4244-1856-5 / 08 / 25.00 $ © 2008 IEEE
[14] J.-H. لی ، C.-C. چن و Y.-S. Lin ”0.18 lm 3.1-10.6 GHz CMOS UWB LNA with 11.4_0.4 dB gain and 100.7_17.4 ps groupdelay” ELECTRONICS LETTERS 22nd November 2007 Vol. 43 شماره 24
[15] C.-P. لیانگ ، سی.وی. هوانگ ، Y.-K. لین و S.-J. Chung ”تقویت کننده کم پهنای باند فوق پهنای باند 3-10 گیگاهرتزی با تکنیک جدید تطبیق” ELECTRONICS LETTERS 5th August 2010 Vol. 46 شماره 16
[16] Hongrui Wang ، Li Zhang و Zhiping Yu ، همکار ، "یک LNA بدون القا W باند پهن با بازخورد محلی و لغو صدا برای برنامه های کم ولتاژ کم" IEEE معاملات در مدارها و سیستم ها - I: Regular PAPERS، VOL. 57 ، نه 8 ، اوت 2010
[17] TH Lee ، طراحی مدارهای مجتمع فرکانس رادیویی CMOS ، 1st ed. نیویورک: دانشگاه کمبریج. 1998 را فشار دهید.
[18] Chunyu Xin ، Edgar S´anchez-Sinencio ”A LINEARISATION TECHNIQUE for RF LOWNOISE AMPLIFIER” ISCAS 2004
[19] علی میرواکیلی ، محمد یاوری "طراحی و LC لغو کننده صدا CMOS برای باند فوقانی گیرنده های UWB DS-CDMA" مدارها و سیستم ها ، 2009. ISCAS 2009. سمپوزیوم بین المللی IEEE در
[20] S. Galal و B. Razavi ، "تقویت کننده 40 گیگابایت بر ثانیه و مدار محافظ ESD در فناوری 0.18 _mCMOS ،" در IEEE ISSCC Dig. فن آوری مقالات ، فوریه 2004 ، صص 480-481.