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UWB रिसीवर के लिए एक ब्रॉडबैंड LNA संशोधित व्युत्पन्न सुपरपोजिशन विधि का उपयोग करता है

I. प्रस्तावना
हाई-स्पीड वायरलेस संचार प्रणालियों के विकास से सबसे कम बिजली खपत और आपूर्ति वोल्टेज पर संचालित मल्टी-गीगाहर्ट्ज बैंडविड्थ के साथ एकीकृत कम लागत वाले आरएफ उपकरणों पर बढ़ती मांग बढ़ रही है। अल्ट्रा-वाइडबैंड (आईईईई 802.15.3ए) एक नई तकनीक के रूप में सामने आता है जो कम बिजली पर कम दूरी (1 मीटर) के भीतर उच्च डेटा ट्रांसफर दर (10 जीबी/सेकेंड तक) के लिए सक्षम है। यह तकनीक वायरलेस पर्सनल एरिया नेटवर्क (डब्ल्यूपीएएन) जैसे कुछ एप्लिकेशन के लिए उपयोग की जाती है, जो ऑडियो, वीडियो और अन्य उच्च-बैंडविड्थ डेटा के प्रसारण के लिए एक वातावरण प्रदान करती है। यूडब्ल्यूबी सिस्टम के लिए आवंटित 3.1-10.6-गीगाहर्ट्ज के स्पेक्ट्रम का उपयोग करने के लिए प्रस्तावित दृष्टिकोणों में से एक, 14 उप-बैंड के साथ ऑर्थोगोनल फ्रीक्वेंसी डिवीजन मल्टीप्लेक्सिन ओएफडीएम मॉड्यूलेशन का उपयोग करता है जो 528-मेगाहर्ट्ज बैंड चौड़ाई और एक तेज आवृत्ति-होपिंग योजना पर कब्जा कर लेता है [ 1]. OFDM में, उप-वाहक f आवृत्तियाँ एक दूसरे के लंबवत होती हैं। यह विधि उप-चैनलों के बीच क्रॉस-टॉक को समाप्त कर देती है और तदनुसार अंतर-वाहक गार्ड बैंड आवश्यक नहीं होते हैं। हालाँकि मानक को पूर्ण नहीं किया गया है, रिसीवर आर्किटेक्चर की परवाह किए बिना एक फ्रंट-एंड वाइडबैंड एलएनए बिल्कुल आवश्यक है। एम्पलीफायर को कई आवश्यकताओं को पूरा करना होगा, उदाहरण के लिए प्रीसेलेक्ट फिल्टर और एंटीना के साथ इंटरफेस करने के लिए, एम्पलीफायर इनपुट प्रतिबाधा वांछित यूडब्ल्यूबी बैंड पर 50 के करीब होनी चाहिए। हालाँकि, मिक्सर के शोर को खत्म करने के लिए चौड़ी बैंड चौड़ाई के साथ पर्याप्त लाभ, रिसीवर की संवेदनशीलता में सुधार के लिए कम शोर का आंकड़ा, बैटरी जीवन को बढ़ाने के लिए कम बिजली की खपत, लागत को कम करने के लिए छोटा डाई क्षेत्र, बिना शर्त स्थिरता और अच्छी रैखिकता महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। उनके बीच घनिष्ठ व्यापार-बंद है। आम तौर पर इनमें से एक को सुधारने से बाकी बर्बाद हो जाते हैं।

द्वितीय. इनपुट चरण
कॉमन-गेट और कैस्कोड कॉन्फ़िगरेशन दो प्रकार के तरीके हैं जिनका उपयोग आमतौर पर सीएमओएस सर्किट में एलएनए के इनपुट चरण को डिजाइन करने के लिए किया जाता है, जबकि कॉमन-गेट और कैस्कोड संरचना क्रमशः वाइड-बैंड और नैरो-बैंड इनपुट मिलान प्रदान करते हैं। हालाँकि कॉमन-गेट चरण में कैस्कोड चरण की तुलना में आंतरिक रूप से उच्च शोर का आंकड़ा होता है और शोर-रद्द करने वाली तकनीकों का उपयोग किया जाना चाहिए।
हालाँकि इनपुट प्रतिबाधा पूर्वाग्रह और डब्ल्यू/एल अनुपात द्वारा निर्धारित की जाती है। वास्तव में यह संरचना ट्रांजिस्टर के ट्रांसकंडक्टेंस के लिए स्वतंत्रता की एक डिग्री पर विचार करती है और एक उपयुक्त लोड (परजीवी कैपेसिटेंस और बॉडी के प्रभाव पर विचार करते समय प्रारंभ करनेवाला और कैपेसिटर का एक अच्छा संयोजन) का चयन करके, एक उपलब्ध ब्रॉडबैंड इनपुट मिलान प्रदान करती है। यह भार r_ds1 के समानुपाती होना चाहिए। चूंकि जीएम बदलता है, इनपुट प्रतिबाधा और मिलान बैंडविड्थ डिवाइस के f_T के लगभग बराबर है।
जब ऑपरेटिंग आवृत्ति बढ़ने लगती है तो परजीवी ट्रांजिस्टर कैपेसिटेंस C_gs भूमिका निभाना शुरू कर देता है। संकीर्ण बैंड अनुप्रयोग में, वांछित आवृत्ति पर प्रतिबाधा मिलान को बढ़ाने के लिए C_gs के साथ प्रतिध्वनित करने के लिए इनपुट चरण में एक शंट प्रारंभ करनेवाला जोड़ा जाता है। हालाँकि अधिकांश CMOS नैरो बैंड अनुप्रयोगों में, आगमनात्मक अध:पतन के साथ कैस्कोड LNA बेहतर है, लेकिन इनपुट से आउटपुट तक अलग करने और C_gd पथ को छोड़ने के लिए, कॉमन-गेट LNA कॉमन-सोर्स LNA की तुलना में बेहतर रिवर्स आइसोलेशन और स्थिरता करता है।

तृतीय. सर्किट डिजाइन और विश्लेषण
प्रस्तावित वाइड-बैंड एलएनए चित्र 1 में दिखाया गया है। इसमें एक इनपुट चरण और एक सामान्य स्रोत चरण शामिल है। तालिका 1 प्रस्तावित CMOS LNA के डिज़ाइन मान दिखाती है। एक ऑफ-चिप बायस-टी M_3 का गेट बायस और M_1 का DC करंट पथ प्रदान करता है। श्रृंखला प्रारंभ करनेवाला L_4 आगे M_3 के इनपुट गेट-स्रोत कैपेसिटेंस के साथ प्रतिध्वनित होता है, जिसके परिणामस्वरूप बड़ी बैंडविड्थ और आवृत्ति प्रतिक्रिया पर कुछ अवशिष्ट शिखर होता है [17]। M_2 की परजीवी धारिता

चित्र 1. प्रस्तावित ब्रॉडबैंड शोर-रद्द करने वाला एलएनए

मैं
प्रस्तावित CMOS LNA के डिज़ाइन मूल्य
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_(आउट,) 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
(डब्ल्यू/एल)1 18/0.18 आर_3 40Ω
(डब्ल्यू/एल)2 30/0.18
और M_3 प्रारंभ करनेवाला L_0 के साथ एक LC सीढ़ी संरचना बनाते हैं। डीसी लोड रेसिस्टर्स R_1 और R_2 को सर्किट बैंडविड्थ को प्रभावी ढंग से बढ़ाने के लिए क्रमशः शंट पीकिंग इंडक्टर्स L_1 और L_2 के साथ जोड़ा जाता है [10]। श्रृंखला शिखर प्रारंभ करनेवाला L_2 भी M_2 और M_3 के निकास पर कुल परजीवी कैपेसिटेंस C_d2 और C_d3 के साथ प्रतिध्वनित होता है। चूंकि लोड अवरोधक, R_3, को फ्लैट लाभ के लिए L_3 के Q कारक को कम करने के लिए जोड़ा जाता है। परजीवी कैपेसिटेंस को कम करने और आवृत्ति प्रदर्शन में सुधार करने के लिए प्रस्तावित सर्किट में सभी ट्रांजिस्टर के लिए 0.18μm की न्यूनतम चैनल लंबाई पर विचार किया जाता है। सामान्य स्रोत चरण बैंडविड्थ बढ़ाता है, बेहतर अलगाव प्रदान करता है और आवृत्ति लाभ बढ़ाता है। वास्तव में इनपुट चरण और सामान्य स्रोत चरण क्रमशः कम-आवृत्ति बिजली लाभ और उच्च-आवृत्ति बिजली लाभ का समर्थन करते हैं। दोनों आवृत्ति प्रतिक्रियाओं के संयोजन से ब्रॉडबैंड शक्ति में वृद्धि होती है। ट्रांजिस्टर M5 सामान्य स्रोत चरण को बढ़ाने और आवृत्ति लाभ को सुचारू करने में भी मदद करता है। चित्र 2 S5 पैरामीटर पर M21 का प्रभाव दिखाता है।

चित्र 2 S5 पैरामीटर पर M21 का प्रभाव

चित्र 3 में इनपुट चरण के रूप में एम1 के प्रभावों की जांच की गई है। सिम्युलेटेड एनएफ और एस11 पैरामीटर की तुलना एम1 के बंद होने वाले केस से की जाती है। एनएफ और एस11 के बीच करीबी समझौता है। जब M_1 चालू होता है, तो NF बढ़ जाता है और S21 पैरामीटर समान शक्ति अपव्यय और समान बैंडविड्थ के साथ कम हो जाता है, लेकिन इसके विपरीत एक स्वीकार्य इनपुट मिलान प्राप्त किया जाएगा। इनपुट चरण में कॉमन-गेट संरचना की शोर विशेषताओं को अतिरिक्त एकाग्रता दी जानी चाहिए, हालांकि ट्रांजिस्टर एम_1 एक वाइड-बैंड मिलान प्रदान करता है, इसमें आंतरिक रूप से उच्च शोर आंकड़ा है।

चित्र 3. एम1 के चालू और बंद होने पर सिम्युलेटेड शोर चित्र और इनपुट अलगाव।

शोर प्रदर्शन की जांच करने के लिए, चैनल थर्मल शोर के साथ एमओएस ट्रांजिस्टर शोर मॉडल का उपयोग किया जाता है। जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, गेट और झिलमिलाहट शोर की उपेक्षा करते हुए और इस विश्लेषण में एक आदर्श मिलान मानते हुए, चैनल थर्मल शोर का PSD (i_(n,d)^2 ) ̅ इस प्रकार दिया गया है
(i_(n,d)^2 ) ̅=4KTγg_do ∆f=4KT γ/α g_m ∆f (1)
बोल्ट्जमान स्थिरांक कहां है, केल्विन में पूर्ण तापमान है, γ चैनल थर्मल शोर का एमओएस ट्रांजिस्टर गुणांक है, α को ट्रांसकंडक्टेंस जी_मैंड और शून्य-पूर्वाग्रह नाली चालन जी_डीएस के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है और बैंडविड्थ है जिस पर शोर का आंकड़ा है क्रमशः मापा जाता है।
निम्नलिखित समीकरण R_1, M_1, M_2 और M_3 द्वारा शोर के आंकड़े का वर्णन करते हैं कि वे समग्र शोर आंकड़े में योगदान करते हैं [1]

चित्र 4. शोर योजना का सिद्धांत

यदि स्थिति (2) स्थापित हो जाती है तो M_1 का शोर हटा दिया जाता है [1]।

g_m2 R_1=g_m3 R_s (2)

निम्नलिखित समीकरण R_1, M_2 और M_3 द्वारा शोर के आंकड़े का वर्णन करते हैं कि वे समग्र शोर आंकड़े में योगदान करते हैं।

F_R1=(4KT〖R_1 g_m2〗^2)/(KTR_s (g_m3+〖g_m2 R〗_1/R_s )^2 )=R_s/R_1 (3)

F_M2=(4KTγ/αg_m2 )/(KTR_s 〖(g_m3+g_1m1 (Z_(L_R1 ) ‖r_o1 ) g_m2)〗^2 ) = γ/α 1/(g_m2 R_1 ) F_R1 (4)

F_M3=(4KTγ/α g_m3)/(KTR_s 〖(g_m3+g_m1 (Z_(L_R1 ) ‖r_o1 ) g_m2)〗^2 )=(4γ/α)/(〖g_m3 R〗_s 〖(1+R_s g_m1) 〗^2 ) (5)

इस प्रकार, कुल शोर का आंकड़ा इस प्रकार अनुमानित किया जा सकता है(6)

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)〗^2 ) (6)

IV.सिमुलेशन परिणाम
सर्किट को 0.18μm TSMC लाइब्रेरी Hspice सॉफ़्टवेयर के साथ सिम्युलेटेड किया गया था। सभी सिमुलेशन 50Ω इनपुट और आउटपुट टर्मिनलों को ध्यान में रखकर किए जाते हैं। चित्र 5(ए) में एलएनए की शक्ति प्राप्त करने और रिवर्स आइसोलेशन का अनुकरण किया गया है। आवृत्ति रेंज पर 14.5 डीबी तरंग के साथ औसत लाभ शक्ति लगभग 0.7 डीबी है। रिवर्स आइसोलेशन -35dB से कम है। चित्र 5(बी) शोर का आंकड़ा, इनपुट और आउटपुट अलगाव दिखाता है। NF 2.9 dB से कम है, S11 -14.8dB से कम है और S22 लगभग -10dB से कम है।

(ख)
चित्र 5. (ए) सिम्युलेटेड गेन पावर और रिवर्स आइसोलेशन (बी) सिम्युलेटेड नॉइज़ फिगर, इनपुट आइसोलेशन और आउटपुट आइसोलेशन

"चित्र.6" सर्किट बनाम आवृत्ति का IIP3 दिखाता है।

चित्र 7. IIP3 बनाम आवृत्ति को मापा गया

इस कार्य के परिणाम "तालिका II" में दिखाए गए हैं और उनकी तुलना हाल ही में प्रकाशित CMOS LNAs से की गई है।

तालिका 2 प्रदर्शन सारांश
VI. निष्कर्ष
यह पेपर मानक आरएफसीएमओएस तकनीक पर आधारित यूडब्ल्यूबी एलएनए संरचना का एक नया डिजाइन प्रस्तुत करता है। कॉमन-गेट चरण और उसके इनपुट प्रतिबाधा के बीच ट्रेडऑफ़ के संबंध में संतोषजनक इनपुट मिलान और शोर प्रदर्शन प्राप्त किया जाता है। शोर प्रदर्शन. मापा गया शोर आंकड़ा 2.9-3.1-गीगाहर्ट्ज से अधिक 10.6 डीबी से कम है। सभी एलएनए डिज़ाइन में एक फ्लैट गेन उल्लेख के लायक है और सिम्युलेटेड पावर गेन 14.5 ± 0.7 डीबी है।

संदर्भ
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जनवरी ७,२०२१