المدونة

النطاق العريض LNA لأجهزة استقبال UWB باستخدام طريقة تعديل التراكب المشتق

I. مقدمة
يؤدي تطوير أنظمة الاتصالات اللاسلكية عالية السرعة إلى زيادة الطلب على أجهزة التردد اللاسلكي المتكاملة منخفضة التكلفة مع عرض نطاق ترددي متعدد الجيجاهرتز يعمل بأقل استهلاك للطاقة وجهد إمداد. يظهر النطاق العريض للغاية (IEEE 802.15.3a) كتقنية جديدة قادرة على نقل معدلات عالية للبيانات (تصل إلى 1 جيجابت / ثانية) ضمن مسافات قصيرة (10 أمتار) بطاقة منخفضة. تستخدم هذه التقنية لبعض التطبيقات مثل شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية (WPAN) ، مما يوفر بيئة لنقل بيانات الصوت والفيديو وغيرها من البيانات ذات النطاق الترددي العالي. أحد الأساليب التي تم اقتراحها لاستخدام الطيف من 3.1 إلى 10.6 جيجاهرتز المخصص لأنظمة UWB ، يستخدم تشكيل تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد مع 14 نطاقًا فرعيًا أيهما يشغل عرض نطاق يبلغ 528 ميجاهرتز ومخطط قفز تردد سريع [ 1]. في OFDM ، تكون ترددات الموجة الحاملة الفرعية f متعامدة مع بعضها البعض. هذه الطريقة تزيل الحديث المتبادل بين القنوات الفرعية وبالتالي فإن نطاقات الحراسة بين الموجات الحاملة ليست ضرورية. على الرغم من أن المعيار لم يتم إتقانه ، إلا أن LNA واسع النطاق للجهة الأمامية ضروري للغاية بغض النظر عن بنية المستقبل. يجب أن يفي مكبر الصوت بعدة متطلبات ، على سبيل المثال للتفاعل مع المرشح والهوائي المحددين مسبقًا ، يجب أن تكون مقاومة دخل مكبر الصوت قريبة من 50 فوق نطاق UWB المطلوب. ومع ذلك ، فإن الكسب الكافي مع عرض النطاق العريض للتغلب على ضوضاء الخلاط ، وانخفاض مستوى الضوضاء لتحسين حساسية المستقبل ، وانخفاض استهلاك الطاقة لزيادة عمر البطارية ، ومنطقة القالب الصغيرة لتقليل التكلفة ، والاستقرار غير المشروط والخطي الجيد هي معلمات مهمة. هناك مفاضلة متقاربة بينهما. بشكل عام عن طريق تحسين أحدها ، يتم تدمير الآخرين.

II. مرحلة الإدخال
تعد تكوينات البوابة المشتركة و Cascode نوعين من الطرق المستخدمة عادةً لتصميم مرحلة إدخال LNA في دوائر CMOS ، بينما توفر بنية Common-Gate و Cascode مطابقة مدخلات النطاق العريض والنطاق الضيق على التوالي. ومع ذلك ، تحتوي مرحلة البوابة المشتركة على رقم ضوضاء مرتفع جوهريًا مقابل مرحلة Cascode ويجب استخدام تقنيات إلغاء الضوضاء.
ومع ذلك ، يتم تعيين مقاومة المدخلات عن طريق التحيز ونسبة W / L. في الواقع ، تأخذ هذه البنية في الاعتبار درجة من الحرية في الموصلية الترانزستور وأيضًا عن طريق اختيار الحمل المناسب (مزيج جيد من المحرِّض والمكثفات مع مراعاة تأثير السعة الطفيلية والجسم) ، توفر مطابقة مدخلات النطاق العريض المتاحة. يجب أن يكون هذا الحمل متناسبًا مع r_ds1. نظرًا لتعديل gm ، فإن مقاومة الإدخال وعرض النطاق الترددي المطابق يساوي تقريبًا f_T للجهاز.
تبدأ سعة الترانزستور الطفيلية C_gs في لعب الأدوار عندما يبدأ تردد التشغيل في الارتفاع. في تطبيق النطاق الضيق ، يضاف محث تحويلة في مرحلة الإدخال لتردد صداها مع C_g لتعزيز مطابقة المعاوقة عند التردد المطلوب. ومع ذلك ، في معظم تطبيقات النطاق الضيق لـ CMOS ، يُفضل LNA ذو كود cascode مع التنكس الاستقرائي ولكن للعزل عن المدخلات إلى خرج وحذف مسار C_gd ، يؤدي LNA للبوابة المشتركة عزلًا عكسيًا واستقرارًا أفضل مقابل LNA المصدر المشترك.

ثالثا. تصميم وتحليل الدائرة
ويبين الشكل 1. المضخم LNA عريض النطاق المقترح. وهو يتألف من مرحلة دخل ومرحلة مصدر مشترك. يوضح الجدول 1 قيم تصميم CMOS LNA المقترح. يوفر التحيز خارج الشريحة- T انحياز البوابة لـ M_3 ومسار التيار المستمر لـ M_1. يتفاعل محث السلسلة L_4 أيضًا مع السعة من بوابة - مصدر الإدخال M_3 ، مما يؤدي إلى عرض نطاق أكبر وبعض الذروة المتبقية على استجابة التردد [17]. السعات الطفيلية لـ M_2

الشكل 1. جهاز LNA المقترح لإلغاء ضوضاء النطاق العريض

الجدول الأول
قيم تصميم CMOS LNA المقترحة
L_in 4nH (W / L) 3 / 135
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
(وزن / لتر) 2 30 / 0.18
و M_3 يصنعان هيكل سلم LC مع محث L_0. يتم دمج مقاومات الحمل DC R_1 و R_2 مع محاثات ذروة التحويل L_1 و L_2 على التوالي لتمديد عرض نطاق الدائرة بشكل فعال [10]. كما أن محث ذروة التسلسل L_2 له صدى مع إجمالي السعات الطفيلية C_d2 و C_d3 عند استنزاف M_2 و M_3. منذ أن تمت إضافة مقاوم الحمل ، R_3 ، لتقليل عامل Q لـ L_3 للحصول على ربح ثابت. يعتبر الحد الأدنى لطول القناة البالغ 0.18 ميكرومتر لجميع الترانزستورات في الدائرة المقترحة لتقليل السعات الطفيلية وتحسين أداء التردد. تعمل مرحلة المصدر المشترك على تمديد عرض النطاق ، وتوفر عزلًا أفضل وتزيد من كسب التردد. في الواقع ، تدعم مرحلة الإدخال ومرحلة المصدر المشترك كسب الطاقة منخفض التردد وكسب الطاقة عالي التردد ، على التوالي. يؤدي الجمع بين استجابتي التردد إلى كسب طاقة النطاق العريض. يساعد الترانزستور M5 أيضًا مرحلة المصدر المشترك لزيادة وتيسير كسب التردد. يوضح الشكل 2 تأثير M5 على معلمة S21.

الشكل 2 تأثير M5 على معامل S21

في الشكل 3 ، تم فحص تأثيرات M1 كمرحلة إدخال. تتم مقارنة معلمة NF و S11 المحاكاة بالحالة مع إيقاف تشغيل M1. هناك مفاضلة قريبة بين NF و S11. عند تشغيل M_1 ، يتم زيادة NF ويتم تقليل معلمة S21 بنفس تبديد الطاقة وعرض النطاق الترددي المماثل ، ولكن على العكس من ذلك ، سيتم تحقيق مطابقة إدخال مقبولة. يجب إعطاء تركيز إضافي لخصائص الضوضاء لهيكل البوابة المشتركة في مرحلة الإدخال ، على الرغم من أن الترانزستور M_1 يوفر مطابقة واسعة النطاق ، إلا أنه يحتوي على رقم ضوضاء مرتفع جوهريًا.

الشكل 3. شكل ضوضاء محاكاة وعزل المدخلات مع تشغيل M1 وإيقاف تشغيله.

من أجل فحص أداء الضوضاء ، يتم استخدام نموذج ضوضاء الترانزستور MOS مع الضوضاء الحرارية للقناة. كما هو مبين في الشكل 4 ، إهمال ضوضاء البوابة والوميض وافتراض تطابق تام في هذا التحليل ، يتم إعطاء PSD للضوضاء الحرارية للقناة (i_ (n ، d) ^ 2) ̅ على النحو التالي
(i_ (n، d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do ∆f = 4KT γ / α g_m ∆f (1)
أين هو ثابت بولتزمان ، درجة الحرارة المطلقة في كلفن ، هي معامل ترانزستور MOS للضوضاء الحرارية للقناة ، تُعرَّف α على أنها نسبة الموصلية التحويلية g_mand موصل التصريف الصفري التحيز g_ds وهو عرض النطاق الترددي الذي عليه رقم الضوضاء يقاس على التوالي.
تصف المعادلات التالية رقم الضوضاء بواسطة R_1 و M_1 و M_2 و M_3 التي تساهم في رقم الضوضاء الإجمالي [1]

الشكل 4. مبدأ التخطيطي الضوضاء

إذا تم إنشاء الشرط (2) ، يتم حذف ضوضاء M_1 [1].

g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)

تصف المعادلات التالية رقم الضوضاء بواسطة R_1 و M_2 و M_3 التي تساهم في رقم الضوضاء الإجمالي.

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)

وبالتالي ، يمكن تقريب الرقم الإجمالي للضوضاء (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)

رابعا - نتيجة المحاكاة
تمت محاكاة الدائرة باستخدام برنامج Hspice الخاص بمكتبة TSMC 0.18μm. تتم جميع عمليات المحاكاة مع الأخذ في الاعتبار محطات الإدخال والإخراج 50Ω. في الشكل 5 (أ) تمت محاكاة اكتساب الطاقة والعزل العكسي للمضخم منخفض الضوضاء. يبلغ متوسط ​​قدرة الكسب حوالي 14.5 ديسيبل مع تموج 0.7 ديسيبل على مدى التردد. العزلة العكسية أقل من -35 ديسيبل. يوضح الشكل 5 (ب) رقم الضوضاء ، وعزل المدخلات والمخرجات. يكون NF أقل من 2.9 ديسيبل و S11 أقل من 14.8 ديسيبل و S22 أقل من -10 ديسيبل تقريبًا.

(B)
الشكل 5. (أ) قدرة الكسب المحاكاة والعزل العكسي (ب) الشكل المحاكي للضوضاء وعزل الإدخال وعزل الإخراج

يوضح "الشكل 6" IIP3 للدائرة مقابل التردد.

الشكل 7. المقاس IIP3 مقابل التردد

تظهر نتائج هذا العمل في "TABLE II" وتتم مقارنتها مع CMOS LNAs التي تم نشرها مؤخرًا.

الجدول 2 ملخص الأداء
السادس. استنتاج
تقدم هذه الورقة تصميمًا جديدًا لهيكل UWB LNA استنادًا إلى تقنية RFCMOS القياسية. يتم الحصول على مطابقة مُرضية للمدخلات وأداء الضوضاء بعد فيما يتعلق بالمفاضلات بين معاوقة الإدخال لمرحلة البوابة المشتركة ومرحلة البوابة المشتركة. أداء الضوضاء. رقم الضوضاء المقاس أقل من 2.9 ديسيبل فوق 3.1-10.6 جيجاهرتز. تجدر الإشارة إلى الكسب المسطح في جميع تصميمات LNA ، ويبلغ كسب الطاقة المحاكي 14.5 ± 0.7 ديسيبل.

المراجع
[1] Chih-Fan Liao و Shen-Iuan Liu ، "CMOS LNA عريض النطاق لإلغاء الضوضاء لمستقبلات UWB 3.1-10.6 جيجاهرتز" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS، VOL. 42 ، لا. 2 ، فبراير 2007
[2] Kuang-Chi He و Ming-Tsung Li و Chen-Ming Li و Jenn-Hwan Tarng ، مكبر صوت منخفض الضوضاء لتطبيقات UWB معاملات IEEE على الدوائر والأنظمة - II: مقتطفات صريحة ، VOL. 57 ، لا. 8 ، أغسطس 2010
[3] Zhe-Yang Huang ، و Che-Cheng Huang ، و Chun-Chieh Chen ، و Chung-Chih Hung ، و Chia-Min Chen "An Inductor-Coupling
مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء CMOS الرنانة لنظام النطاق العريض للغاية 3.1-10.6 جيجاهرتز "© 2009 IEEE
[4] Yang Lu و Kiat Seng Yeo و Alper Cabuk و Jianguo Ma و Manh Anh Do و Zhenghao Lu "تصميم مضخم منخفض الضوضاء CMOS جديد لأجهزة الاستقبال اللاسلكية ذات النطاق الفائق من 3.1 إلى 10.6 جيجاهرتز" معاملات IEEE على الدوائر والأنظمة - I: REGULAR PAPERS، VOL. 53 ، لا. 8 ، أغسطس 2006
[5] علي ميرفاكيلي ، محمد يافاري ، فرشيد ريسي "جهاز LNA ذو تيار خطي معاد استخدامه لأجهزة استقبال UWB 1-10.6 جيجاهرتز" IEICE Electronics Express ، المجلد 5 ، رقم 21,908-914
[6] S. Stroh ، "Ultra-wideband: multimedia unplugged" IEEE Spectrum، vol. 40 ، لا. 9، pp.23-27، Sep.2003.
[7] فلاديمير أبارين ولورنس إي لارسون ، زميل ، IEEE "طريقة تراكب مشتقة معدلة لمضخمات FET منخفضة الضوضاء" معاملات IEEE على نظرية وتقنيات الميكروويف ، المجلد. 53 ، لا. 2 ، فبراير 2005
[8] أ باترا وآخرون ، "اقتراح الطبقة المادية متعدد النطاق OFDM ،" IEEE 802.15-03 / 267r5 ، يوليو 2003.
[9] Shih-Chih Chen و Ruey-Lue Wang و Hslang-Chen Kuo و Ming-Lung Kung Chang-Sing Gao "تصميم النطاق الكامل (3.1-10.6 جيجا هرتز) CMOS UWB منخفض الضوضاء مع إلغاء الضوضاء الحرارية" إجراءات مؤتمر آسيا والمحيط الهادئ الميكروويف 2006.
[10] SS Mohan و MDM Hershenson و SP Boyd و TH Lee ، "تمديد النطاق الترددي في CMOS مع محاثات محسّنة على الرقاقة ،" IEEE J. Solid-State Circuits ، المجلد. 35 ، لا. 3، pp.346-355، Mar.2000.
[11] Zhe-Yang Huang ، و Che-Cheng Huang ، و Chun-Chieh Chen ، و Chung-Chih Hung ، و Chia-Min Chen "مكبر صوت منخفض الضوضاء CMOS رنيني مقترن بـ 3.1-10.6 جيجاهرتز لنظام النطاق العريض للغاية"
[12] Chunyu Xin ، Edgar S´anchez-Sinencio "تقنية خطية لمكبر الصوت RF LOWNOISE"
[13] Jianyun Hu و Yunliang Zhu و Hui Wu "مضخم صوت منخفض الضوضاء ذو ​​نطاق عريض للغاية ذو استجابة مقاومة منخفضة مع إلغاء الضوضاء
في 0.18μm Digital CMOS ”978-1-4244-1856-5 / 08 / $ 25.00 © 2008 IEEE
[14] J.-H. لي ، سي- سي. تشن و Y.-S. Lin ”0.18 lm 3.1-10.6 GHz CMOS UWB LNA مع كسب 11.4_0.4 ديسيبل و 100.7_17.4 ps Groupdelay” رسائل إلكترونية 22nd November 2007 Vol. 43 رقم 24
[15] C.-P. ليانغ ، سي. هوانغ ، Y.-K. لين و S.-J. Chung ”3-10 جيجاهرتز النطاق العريض للغاية منخفض الضوضاء بتقنية مطابقة جديدة“ ELECTRONICS LETTERS 5th August 2010 Vol. 46 رقم 16
[16] Hongrui Wang، Li Zhang، and Zhiping Yu، Fellow، "A Wideband Inductorless LNA with Local feedback and Noise Cancelling for low-power low Voltage Applications" IEEE Transactions on CIRCUITS AND SYSTEMS - I: REGULAR PAPERS، VOL. 57 ، لا. 8 ، أغسطس 2010
[17] تي إتش لي ، تصميم الدوائر المتكاملة للترددات الراديوية CMOS ، الطبعة الأولى. نيويورك: جامعة كامبريدج. الصحافة ، 1.
[18] Chunyu Xin ، Edgar S´anchez-Sinencio "تقنية خطية لمكبر الصوت RF LOWNOISE" ISCAS 2004
[19] علي ميرفاكيلي ، محمد يافاري "تصميم CMOS LNA لإلغاء الضوضاء للنطاق العلوي لدوائر وأنظمة استقبال UWB DS-CDMA" ، 2009. ISCAS 2009. ندوة IEEE الدولية حول
[20] S. Galal و B. Razavi ، "مكبر 40 Gb / s ودائرة حماية ESD في تقنية 0.18 _mCMOS" ، في IEEE ISSCC Dig. تقنية. أوراق ، فبراير 2004 ، ص 480-481.

٣ فبراير ٢٠٢٤