บล็อก

LNA บรอดแบนด์สำหรับตัวรับ UWB โดยใช้วิธี Superposition อนุพันธ์ดัดแปลง

I. คำนำ
การพัฒนาระบบการสื่อสารไร้สายความเร็วสูงทำให้มีคำขอเพิ่มขึ้นสำหรับอุปกรณ์ RF ต้นทุนต่ำที่มีการใช้แบนด์วิธแบบหลาย GHz ที่การใช้พลังงานต่ำที่สุดและแรงดันไฟฟ้าของอุปทาน อัลตร้าไวด์แบนด์ (IEEE 802.15.3a) จะปรากฏเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้สูง (สูงถึง 1 Gb / s) ในระยะทางสั้น ๆ (10 m) ที่ใช้พลังงานต่ำ เทคโนโลยีนี้ใช้สำหรับแอปพลิเคชั่นบางตัวเช่นเครือข่ายพื้นที่ส่วนบุคคลไร้สาย (WPAN) ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมสำหรับการส่งสัญญาณเสียงวิดีโอและข้อมูลแบนด์วิดธ์สูงอื่น ๆ หนึ่งในวิธีการที่ได้รับการเสนอให้ใช้สเปกตรัมของ 3.1-10.6-GHz ที่จัดสรรไว้สำหรับระบบ UWB ใช้การปรับความถี่มุมฉากมัลติเพล็กซิน OFDM กับการปรับคลื่นความถี่ 14-MHz และรูปแบบการกระโดดที่รวดเร็ว [ 528] ใน OFDM ความต้องการ f ของผู้ให้บริการย่อยจะตั้งฉากกัน วิธีการนี้จะกำจัดการพูดข้ามระหว่างช่องสัญญาณย่อยและดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้แถบป้องกันระหว่างผู้ให้บริการ แม้ว่ามาตรฐานยังไม่สมบูรณ์ แต่ LNA wide-end นั้นจำเป็นอย่างยิ่งโดยไม่คำนึงถึงสถาปัตยกรรมของเครื่องรับ แอมพลิฟายเออร์ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดหลายประการตัวอย่างเช่นการเชื่อมต่อกับฟิลเตอร์และเสาอากาศที่เลือกไว้ล่วงหน้าอิมพีแดนซ์อินพุตของเครื่องขยายเสียงควรอยู่ใกล้กับ 1 ผ่านย่าน UWB ที่ต้องการ อย่างไรก็ตามกำไรที่เพียงพอพร้อมกับความกว้างของวงกว้างในการลดเสียงรบกวนของเครื่องผสมสัญญาณรบกวนต่ำเพื่อปรับปรุงความไวของเครื่องรับ, การใช้พลังงานต่ำเพื่อเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่, พื้นที่แม่พิมพ์ขนาดเล็กเพื่อลดต้นทุน, เสถียรภาพที่ไม่มีเงื่อนไข มีการปิดการค้าระหว่างพวกเขาอย่างใกล้ชิด โดยทั่วไปแล้วการปรับปรุงอย่างใดอย่างหนึ่งจะถูกทำลาย

ครั้งที่สอง ขั้นตอนการป้อนข้อมูล
การกำหนดค่า Common-gate และ Cascode เป็นวิธีการสองแบบที่ใช้ในการออกแบบขั้นตอนการป้อนข้อมูลของ LNA ในวงจร CMOS ในขณะที่โครงสร้าง Common-Gate และ Cascode ให้การจับคู่อินพุตวงกว้างและแบนด์แคบตามลำดับ อย่างไรก็ตามเวที Common-gate มีตัวเลขเสียงรบกวนสูงเมื่อเทียบกับเวที Cascode และต้องใช้เทคนิคการยกเลิกเสียงรบกวน
อย่างไรก็ตามอิมพีแดนซ์อินพุตถูกกำหนดโดยอัตราส่วนไบแอสและ W / L ในความเป็นจริงโครงสร้างนี้พิจารณาระดับความเป็นอิสระสำหรับการถ่ายเทของทรานซิสเตอร์และโดยการเลือกโหลดที่เหมาะสม (การรวมกันของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่ดีในขณะที่พิจารณาผลของความจุและตัวกาฝาก) ทำให้มีการจับคู่อินพุตบรอดแบนด์ ภาระนี้ต้องเป็นสัดส่วนกับ r_ds1 เนื่องจาก gm เปลี่ยนแปลงความต้านทานอินพุตและแบนด์วิดท์ที่ตรงกันจะเท่ากับ f_T ของอุปกรณ์โดยประมาณ
ความจุของทรานซิสเตอร์ปรสิต C_gs เริ่มมีบทบาทเมื่อความถี่ในการทำงานเริ่มสูงขึ้น ในแอปพลิเคชั่นวงแคบตัวเหนี่ยวนำ shunt จะถูกเพิ่มเข้าไปในสเตจอินพุตเพื่อสะท้อนด้วย C_gsto ปรับปรุงการจับคู่อิมพิแดนซ์ที่ความถี่ที่ต้องการ อย่างไรก็ตามในแอพพลิเคชั่นที่ใช้ย่านความถี่แคบของ CMOS นั้น Cascode LNA ที่มีการเสื่อมสภาพแบบเหนี่ยวนำนั้นเป็นสิ่งที่ดีกว่า แต่สำหรับการแยกจากอินพุตไปยังเอาต์พุตและข้ามเส้นทาง C_gd นั้น Common-Gate LNA จะทำการแยกแบบย้อนกลับ

สาม. การออกแบบวงจรและการวิเคราะห์
LNA วงกว้างที่เสนอจะแสดงในรูปที่ 1 ประกอบด้วยขั้นตอนการป้อนข้อมูลและขั้นตอนแหล่งข้อมูลทั่วไป ตาราง 1 แสดงค่าการออกแบบของ CMOS LNA ที่เสนอ off-chip bias-T จัดเตรียม gate bias ของ M_3 และเส้นทาง DC ปัจจุบันของ M_1 ตัวเหนี่ยวนำอนุกรม L_4 ดังก้องด้วยความจุประตูอินพุต - แหล่งที่มาของ M_3 ส่งผลให้แบนด์วิดธ์ที่มีขนาดใหญ่และจุดที่เหลือบางส่วนในการตอบสนองความถี่ [17] ความสามารถในการกาฝากของ M_2

รูปที่ 1 LNA ตัดเสียงรบกวนที่เสนอบรอดแบนด์

ตารางที่ 1
ค่าออกแบบของ CMOS LNA ที่เสนอ
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_ (ออก,) 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
และ M_3 สร้างโครงสร้างบันได LC พร้อมตัวเหนี่ยวนำ L_0 ตัวต้านทานโหลด DC R_1 และ R_2 ถูกรวมเข้ากับตัวเหนี่ยวนำแบบจุดแยก L_1 และ L_2 ตามลำดับเพื่อขยายแบนด์วิดท์ของวงจรอย่างมีประสิทธิภาพ [10] ตัวเหนี่ยวนำแบบจุดพีคซีรีย์ L_2 ยังสะท้อนกับความสามารถในการกาฝากทั้งหมด C_d2 และ C_d3 ที่ท่อระบายน้ำของ M_2 และ M_3 เนื่องจากตัวต้านทานโหลด R_3 ถูกเพิ่มเข้ามาเพื่อลดปัจจัย Q ของ L_3 สำหรับอัตราขยายแบบคงที่ ความยาวช่องต่ำสุดของ0.18μmนั้นพิจารณาสำหรับทรานซิสเตอร์ทั้งหมดในวงจรที่นำเสนอเพื่อลดความจุของกาฝากและลดประสิทธิภาพของความถี่ แหล่งที่มาทั่วไปขยายแบนด์วิธให้แยกได้ดีขึ้นและเพิ่มความถี่ได้ อันที่จริงสเตจอินพุตและสเตจต้นทางสนับสนุนการรับพลังงานความถี่ต่ำและกำลังไฟความถี่สูงตามลำดับ การรวมกันของการตอบสนองความถี่ทั้งสองนำไปสู่การได้รับพลังงานบรอดแบนด์ ทรานซิสเตอร์ M5 ยังช่วยให้แหล่งสัญญาณทั่วไปสามารถเพิ่มและเพิ่มความถี่ได้อย่างราบรื่น รูปที่ 2 แสดงผลของ M5 ในพารามิเตอร์ S21

รูปที่ 2 ผลกระทบของ M5 ต่อพารามิเตอร์ S21

ในรูปที่ 3 ผลกระทบของ M1 เมื่อขั้นตอนการป้อนข้อมูลถูกตรวจสอบ พารามิเตอร์ NF และ S11 จำลองถูกเปรียบเทียบกับเคสที่ปิด M1 มีการแลกเปลี่ยนที่ใกล้ชิดระหว่าง NF และ S11 เมื่อเปิด M_1, NF จะเพิ่มขึ้นและพารามิเตอร์ S21 จะลดลงด้วยการกระจายพลังงานที่เท่ากันและแบนด์วิดท์ที่คล้ายกัน แต่ในทางตรงกันข้ามการจับคู่อินพุตที่ยอมรับได้จะประสบความสำเร็จ ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับลักษณะเสียงรบกวนของโครงสร้างประตูทั่วไปในเวทีอินพุตแม้ว่าทรานซิสเตอร์ M_1 จะให้การจับคู่แบบวงกว้าง แต่ก็มีสัญญาณรบกวนสูงภายในตัว

รูปที่ 3 รูปจำลองสัญญาณรบกวนและการแยกสัญญาณอินพุตพร้อมการเปิดและปิด M1

เพื่อที่จะตรวจสอบประสิทธิภาพของเสียงรบกวนได้ใช้แบบจำลองเสียงทรานซิสเตอร์ MOS พร้อมเสียงรบกวนทางความร้อนในช่องทาง ดังที่แสดงในรูปที่ 4 การละเลยเสียงรบกวนของประตูและการสั่นไหวและสมมติว่าการจับคู่ที่สมบูรณ์แบบในการวิเคราะห์นี้ PSD ของสัญญาณรบกวนทางความร้อนของช่องสัญญาณ (i_ (n, d) ^ 2) ̅จะได้รับเป็น
(i_ (n, d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do ∆f = 4KT γ / α g_m ∆f (1)
ค่าคงที่ของ Boltzmann อยู่ที่ไหนคืออุณหภูมิสัมบูรณ์ในหน่วยเคลวินγคือค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนความร้อนของช่องสัญญาณของทรานซิสเตอร์ MOS ซึ่งαถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของการถ่ายโอน g_mand ค่าการนำไฟฟ้าของท่อระบายน้ำแบบ zero-bias g_ds และเป็นแบนด์วิดท์ที่ตัวเลขสัญญาณรบกวน วัดตามลำดับ
สมการต่อไปนี้อธิบายถึงตัวเลขเสียงรบกวนโดย R_1, M_1, M_2 และ M_3 ที่มีส่วนทำให้เกิดเสียงรบกวนโดยรวม [1]

รูปที่ 4 หลักการของวงจรเสียง

หากเงื่อนไข (2) ถูกสร้างขึ้นเสียงของ M_1 จะถูกละเว้น [1]

g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)

สมการต่อไปนี้อธิบายถึงตัวเลขเสียงรบกวนโดย R_1, M_2 และ M_3 ที่พวกเขามีส่วนร่วมในรูปเสียงโดยรวม

F_R1 = (4KT 〖 R_1 g_m2 〗 ^ 2) / (KTR_s (g_m3 + 〖 g_m2 R 〗 _1 / R_s) ^ 2 / R_s) ^ 1)

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 〖 (X_UM3) α (G_m1) G_m1 (Z_ (L_R1) ‖r_o2) 〗 ^ 2) (4)

ดังนั้นตัวเลขเสียงรบกวนทั้งหมดสามารถประมาณได้เป็น (6)

F_total = R_s / R_1 (1 + γ / α 1 / (g_m2 R_1X) X + X_UM4) (3 + R_s1)

IV.SIMULATION RESULT
วงจรถูกจำลองด้วยซอฟต์แวร์ Hspice ไลบรารี0.18μm TSMC การจำลองทั้งหมดเสร็จสิ้นการพิจารณาขั้วรับเข้าและส่งออก50Ω ในรูปที่ 5 (a) รับกำลังงานและการแยกกลับของ LNA ถูกจำลอง พลังงานที่ได้รับเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 14.5 dB กับ 0.7 dB ระลอกในช่วงความถี่ การแยกย้อนกลับน้อยกว่า -35dB รูปที่ 5 (b) แสดงรูปสัญญาณรบกวนการแยกอินพุตและเอาต์พุต NF น้อยกว่า 2.9 dB, S11 น้อยกว่า -14.8db และ S22 น้อยกว่า -10dB โดยประมาณ

(ข)
รูปที่ 5. (a) พลังงานที่ได้รับจากการจำลองและการแยกแบบย้อนกลับ (b) รูปเสียงจำลอง, การแยกอินพุตและการแยกเอาต์พุต

“ รูปที่ 6” แสดง IIP3 ของวงจรเทียบกับความถี่

รูปที่ 7 วัด IIP3 เทียบกับความถี่

ผลลัพธ์ของงานนี้แสดงอยู่ใน“ TABLE II” และเปรียบเทียบกับ CMOS LNA ที่เผยแพร่เมื่อเร็ว ๆ นี้

ตารางสรุปผลการดำเนินงาน 2
พระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว สรุปผลการศึกษา
บทความนี้นำเสนอการออกแบบใหม่ของโครงสร้าง UWB LNA ที่ใช้เทคโนโลยี RFCMOS มาตรฐาน การจับคู่อินพุตที่น่าพอใจและประสิทธิภาพเสียงรบกวนนั้นเกิดขึ้นหลังจากการแลกเปลี่ยนระหว่างอิมพิแดนซ์อินพุตของสเตจประตูทั่วไปและของมัน ประสิทธิภาพเสียงรบกวน ตัวเลขเสียงที่วัดได้น้อยกว่า 2.9 dB มากกว่า 3.1-10.6-GHz อัตราขยายแบบแบนเป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงในการออกแบบ LNA ทั้งหมดและอัตราขยายพลังงานจำลองคือ 14.5 ± 0.7 dB

ข้อมูลอ้างอิง
[1] Chih-Fan Liao และ Shen-Iuan Liu "CMOS LNA แบบบรอดแบนด์ตัดเสียงรบกวนสำหรับตัวรับสัญญาณ UWB 3.1-10.6 GHz" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL 42, เลขที่ 2 กุมภาพันธ์ 2007
[2] Kuang-Chi He, Ming-Tsung Li, Chen-Ming Li และ Jenn-Hwan Tarng เครื่องขยายเสียงรบกวนต่ำแบบขนาน-RC Feedback สำหรับแอปพลิเคชัน UWB ธุรกรรม IEEE บนวงจรและระบบ II: EXPRESS BRIEFS, VOL 57, เลขที่ 8 สิงหาคม 2010
[3] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung และ Chia-Min Chen” An Inductor-Coupling
เครื่องขยายเสียงรบกวนต่ำ CMOS แบบสะท้อนสำหรับระบบอัลตร้าไวด์แบนด์ 3.1-10.6GHz” © 2009 IEEE
[4] Yang Lu, เกียรติ Seng Yeo, Alper Cabuk, Jianguo Ma, Manh Anh Do และ Zhenghao Lu” การออกแบบเครื่องขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำ CMOS แบบใหม่สำหรับตัวรับสัญญาณไร้สาย Ultra-Wide-Band 3.1 ถึง 10.6 GHz” การทำธุรกรรม IEEE บน วงจรและระบบ - I: REGULAR PAPERS, VOL 53, เลขที่ 8 สิงหาคม 2006
[5] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari, Farshid Raissi” LNA เชิงเส้นที่นำกลับมาใช้ใหม่ในปัจจุบันสำหรับเครื่องรับ UWB 1-10.6 GHz” IEICE Electronics Express, Vol.5, No.21,908-914
[6] S. Stroh,“ Ultra-Wideband: Multimedia Unplugged,” IEEE Spectrum, vol. 40 เลขที่ 9, หน้า 23-27 ก.ย. 2003
[7] Vladimir Aparin และ Lawrence E. Larson, Fellow, IEEE” Modified Derivative Superposition Method สำหรับ Linearizing FET Low-Noise Amplifiers” ธุรกรรม IEEE บนทฤษฎีและเทคนิคของไมโครโวลต์ VOL 53, เลขที่ 2 กุมภาพันธ์ 2005
[8] A. Batra et al.,“ ข้อเสนอเลเยอร์ฟิสิคัล OFDM แบบหลายแบนด์,” IEEE 802.15-03 / 267r5, ก.ค. 2003
[9] Shih-Chih Chen, Ruey-Lue Wang, Hslang-Chen Kuo และ Ming-Lung Kung Chang-Sing Gao” The Design of Full-Band (3.1-10.6GHZ) CMOS UWB Low Noise Amplifier with Thermal Noise Cancelling” Proceedings ของ Asia-Pacific Microwave Conference 2006
[10] SS Mohan, MDM Hershenson, SP Boyd และ TH Lee,“ การขยายแบนด์วิดท์ใน CMOS ด้วยตัวเหนี่ยวนำบนชิปที่ดีที่สุด” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35 เลขที่ 3, หน้า 346-355, มี.ค. 2000
[11] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung และ Chia-Min Chen” เครื่องขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำ CMOS แบบ Resonctor-Coupling สำหรับระบบอัลตราไวด์แบนด์ 3.1-10.6GHz”
[12] ชุนยูซิน, เอ็ดการ์ซานเชซ - ซิเนนซิโอ” เทคนิคเชิงเส้นสำหรับเครื่องขยายเสียง RF LOWNOISE”
[13] Jianyun Hu, Yunliang Zhu และ Hui Wu "เครื่องขยายสัญญาณเสียงรบกวนแบบ Resistive-Feedback แบบ Ultra-Wideband พร้อมระบบตัดเสียงรบกวน
ใน0.18μm Digital CMOS” 978-1-4244-1856-5 / 08 / $ 25.00 © 2008 IEEE
[14] จ. - ฮ. ลี, C. -C. Chen และ Y.-S. Lin” 0.18 lm 3.1-10.6 GHz CMOS UWB LNA พร้อม 11.4_0.4 dB gain และ 100.7_17.4 ps groupdelay” ELECTRONICS LETTERS 22nd November 2007 Vol. 43 เลขที่ 24
[15] ค. - ป. เหลียง, C.-W. หวง, Y.-K. Lin และ S.-J. Chung” เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำอัลตร้าไวด์แบนด์ 3-10 GHz พร้อมเทคนิคการจับคู่ใหม่” ELECTRONICS LETTERS 5th August 2010 Vol. 46 ฉบับที่ 16
[16] Hongrui Wang, Li Zhang และ Zhiping Yu, Fellow,“ LNA Wideband Inductorless พร้อมเสียงตอบรับในพื้นที่และการตัดเสียงรบกวนสำหรับการใช้งานแรงดันไฟฟ้าต่ำที่ใช้พลังงานต่ำ” ธุรกรรม IEEE บนวงจรและระบบ - I: กระดาษปกติ VOL 57, เลขที่ 8 สิงหาคม 2010
[17] TH Lee, การออกแบบวงจรรวมคลื่นความถี่วิทยุ CMOS, 1st ed นิวยอร์ก: มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ กด, 1998
[18] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio” เทคนิคการปรับเส้นสำหรับ RF LOWNOISE AMPLIFIER” ISCAS 2004
[19] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari” การออกแบบ CMOS LNA แบบตัดเสียงรบกวนสำหรับแถบด้านบนของ UWB DS-CDMA Receivers” Circuits and Systems, 2009. ISCAS 2009. IEEE International Symposium on
[20] S. Galal และ B. Razavi,“ เครื่องขยายเสียง 40 Gb / s และวงจรป้องกัน ESD ในเทคโนโลยี 0.18 _mCMOS” ใน IEEE ISSCC Dig เทคโนโลยี Papers, ก.พ. 2004, หน้า 480-481

January 19, 2017