от Internet Archive Book Images
Широколентов LNA за UWB приемници чрез видоизменени производно Наслагване Метод
ВЪВЕДЕНИЕ
Разработването на високоскоростните безжични комуникационни системи поставя все по-голяма заявка за интегрирани нискотарифни радиочестотни устройства с честотна лента с много GHz, работеща при най-ниска консумация на енергия и напрежение на захранване. Ултрашироколентовият (IEEE 802.15.3a) се появява като нова технология, способна за високи скорости на пренос на данни (до 1 Gb / s) на къси разстояния (10 m) при ниска мощност. Тази технология използва за някои приложения, като безжични лични мрежи (WPAN), осигуряваща среда за предаване на аудио, видео и други данни с висока честотна лента. Един от подхода, за който е предложено да се използва спектърът на 3.1-10.6-GHz, разпределен за UWB системи, използва ортогонална честотна мултиплексина OFDM модулация с 14 поддиапазони, което заема ширината на лентата 528-MHz и схема за бързо скачане на честотата [ 1]. В OFDM изискванията за подносеца са перпендикулярни една на друга. Този метод елиминира кръстосаното говорене между подканалите и съответно междупреносителните предпазни ленти не са необходими. Въпреки че стандартът не е усъвършенстван, широколентовата LNA от предния край е абсолютно необходима, независимо от архитектурата на приемника. Усилвателят трябва да отговаря на няколко изисквания, например за интерфейс с предварително избрания филтър и антена, входният импеданс на усилвателя трябва да е близък до 50 над желаната UWB диапазон. Въпреки това са важни параметри с достатъчна печалба с широчина на лентата, за да надвишат шума на миксера, ниска цифра за шум за подобряване на чувствителността на приемника, ниска консумация на енергия за увеличаване на живота на батерията, малка площ на матрицата за намаляване на разходите, безусловна стабилност и добра линейност. Между тях има тесен компромис. Като цяло, подобрявайки един от тях, останалите се рушат.
II. Входен етап
Конфигурациите с общ портал и Cascode са два вида методи, които обикновено се използват за проектиране на входния етап на LNA в CMOS схеми, докато структурата Common-Gate и Cascode осигуряват съответно широколентов и теснолентов вход. Но етапът на Common-gate има присъща висока стойност на шума спрямо Cascode етап и трябва да се използват техники за намаляване на шума.
Въпреки това входният импеданс се задава от съотношението пристрастия и Ш / Д. Всъщност тази структура отчита степента на свобода за транспроводимост на транзистора, а също така чрез избора на подходящо натоварване (добра комбинация от индуктор и кондензатори, докато се разглежда ефектът от паразитния капацитет и тяло), осигурява налично съвпадение на широколентов вход. Това натоварване трябва да бъде пропорционално на r_ds1. Тъй като gm се променя, входният импеданс и съответстващата честотна лента са приблизително равни на f_T на устройството.
Паразитният транзисторен капацитет C_gs започва да играе роли, когато работната честота започне да нараства. В приложението за тясна лента се добавя шунтиращ индуктор във входния етап, за да резонира с C_gsto за увеличаване на съпротивлението при желаната честота. Въпреки това, в повечето CMOS теснолентови приложения, cascode LNA с индуктивна дегенерация е за предпочитане, но за изолиране от входа към изхода и пропускането на пътя C_gd, LNA Common-Gate осъществява по-добра обратна изолация и стабилност спрямо LNA с общ източник.
III. ПРОЕКТИРАНЕ И АНАЛИЗ НА СТАДА
Предлаганата широколентова LNA е показана на фиг. 1. Състои се от входен етап и общ етап на източник. Таблица 1 показва проектните стойности на предложената CMOS LNA. Отклонение без чип-T осигурява отклонение на портата на M_3 и пътека на постоянен ток на M_1. Серийният индуктор L_4 допълнително резонира с входния капацитет на изходния изход на M_3, което води до по-голяма честотна лента и някакъв остатъчен максимум върху честотната характеристика [17]. Паразитните капацитети на M_2
Фиг. 1. Предложена широколентова LNA-шумоизолираща LNA
ТАБЛИЦА I
ПРОЕКТИРАНИ ЦЕННОСТИ НА ПРЕДЛОЖЕНА CMOS LNA
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_ (вън,) 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
и M_3 правят LC стълба структура с индуктор L_0. Резисторите за постоянен ток R_1 и R_2 се комбинират с маневрени въртящи се индуктори L_1 и L_2 съответно за ефективно разширяване на честотната лента на веригата [10]. Серийният пиков индуктор L_2 също резонира с общите паразитни капацитети C_d2 и C_d3 при изтичането на M_2 и M_3. Тъй като резисторът за натоварване, R_3, се добавя за намаляване на коефициента Q на L_3 за плосък усилване. Минималната дължина на канала от 0.18μm се счита за всички транзистори в предложената схема за минимизиране на паразитните капацитети и подобряване на честотната производителност. Общият етап на източника разширява честотната лента, осигурява по-добра изолация и увеличава усилването на честотата. В действителност входният етап и общият източник поддържат съответно нискочестотно усилване на мощността и повишение на мощността с висока честота. Комбинацията от двата честотни отговора води до усилване на широколентовата мощност. Транзистор M5 също така помага на стария източник на източник за увеличаване и изглаждане на усилването на честотата. Фиг. 2 показва ефекта на M5 върху параметъра S21.
Фиг. 2 Ефектът на M5 върху параметъра S21
На фиг. 3 се изследват ефектите на M1 като входен етап. Симулираният параметър NF и S11 се сравнява със случая с M1 е изключен. Има тесен компромис между NF и S11. Когато M_1 е включен, NF се увеличава и параметър S21 се намалява със същото разсейване на мощността и подобна честотна лента, но напротив, ще се постигне приемливо съвпадение на входа. Трябва да се даде допълнителна концентрация на шумовите характеристики на структурата Common-Gate във входния етап, въпреки че транзисторът M_1 осигурява съвпадение в широка лента, той има присъща висока стойност на шума.
Фиг. 3. Симулирана фигура на шума и входна изолация с включен и изключен M1.
За да се изследва ефективността на шума, се използва моделът на MOS транзисторен шум с канален термичен шум. Както е показано на фиг.4, пренебрегвайки шумовете на портата и трептенето и приемайки перфектно съвпадение в този анализ, PSD на канала термичен шум (i_ (n, d) ^ 2) ̅ е даден като
(i_ (n, d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do ∆f = 4KT γ / α g_m ∆f (1)
Където е константата на Болцман, е абсолютната температура в Келвин, γ е коефициентът на MOS транзистора на топлинния шум на канала, α се определя като съотношението на проводимостта g_ и нулевата отклонена проводимост на изтичане g_ds и е честотната лента, над която фигурата на шума се измерва съответно.
Следните уравнения описват цифрата на шума от R_1, M_1, M_2 и M_3, че те допринасят за общата цифра на шума [1]
Фиг. 4. Принцип на схемата на шума
Ако се установи условието (2), шумът от M_1 се пропуска [1].
g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)
Следните уравнения описват цифрата на шума от R_1, M_2 и M_3, че те допринасят за общата стойност на шума.
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))
F_M3 = (4KTγ / α g_m3) / (KTR_s 〖(g_m3 + g_m1 (Z_ (L_R1) ‖r_o1) g_m2)〗 ^ 2) = (4Xs_ (3X / g) N N ((N (/ 〗 ^ 1) (1)
По този начин, общата цифра на шума може да бъде приблизително изчислена като (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))〗 ^ XX
IV.СИМУЛИРАНЕ РЕЗУЛТАТ
Схемата е симулирана с 0.18μm TSMC библиотека Hspice софтуер. Всички симулации се извършват, като се вземат предвид входните и изходните терминали 50Ω. На Фиг.5 (a) се симулира усилването и обратната изолация на LNA. Средната мощност на усилване е приблизително 14.5 dB с пулсация на 0.7 dB в честотния обхват. Обратната изолация е по-малка от -35dB. Фиг.5 (b) показва шумовата фигура, изолацията на входа и изхода. NF е по-малко от 2.9 dB, S11 е по-малко от-14.8db и S22 е приблизително по-малко от -10dB.
(Б)
Фиг. 5. (A) Симулирана мощност на усилване и обратна изолация (б) Симулирана фигура на шума, изолация на входа и изолация на изхода
„Фиг.6“ показва IIP3 на веригата спрямо честотата.
Фиг. 7. Измерва се IIP3 спрямо честотата
Резултатите от тази работа са показани в „ТАБЛИЦА II“ и са сравнени с наскоро публикуваните CMOS LNA.
ТАБЛИЦА 2 РЕЗЮМЕ НА ИЗПЪЛНЕНИЕТО
VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Този документ представя нов дизайн на UWB LNA структура, базирана на стандартна RFCMOS технология. Задоволителното съвпадение на входа и шумовите характеристики се получават след отклонения между входния импеданс на етапа на общата врата и неговия. шумово изпълнение. Измерената цифра на шума е по-малка от 2.9 dB над 3.1-10.6-GHz. Плосък коефициент на усилване заслужава да се спомене във всички LNA дизайн, а симулираната печалба на мощност е 14.5 ± 0.7 dB.
СПРАВКИ
[1] Chih-Fan Liao и Shen-Iuan Liu, „Широколентова CMOS LNA с шумопотискане за UWB приемници с честота от 3.1 до 10.6 GHz“ IEEE JOURNAL OF SOLID-STAT CIRCUITS, VOL. 42, НЕ. 2, ФЕВРУАРИ 2007 г.
[2] Kuang-Chi He, Ming-Tsung Li, Chen-Ming Li и Jenn-Hwan Tarng, Parallel-RC Feedback усилвател с ниско ниво на шум за приложения на UWB IEEE транзакции на вериги и системи – II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 57, НЕ. 8, АВГУСТ 2010
[3] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung и Chia-Min Chen ”Индукторно съединение
Резониран CMOS усилвател с ниско ниво на шум за 3.1-10.6 GHz ултра-широколентова система ”© 2009 IEEE
[4] Yang Lu, Kiat Seng Yeo, Alper Cabuk, Jianguo Ma, Manh Anh Do и Zhenghao Lu ”Нов CMOS усилвател с ниско ниво на шум за ултрашироколентови безжични приемници от 3.1 до 10.6 GHz” IEEE транзакции СХЕМИ И СИСТЕМИ – I: РЕДОВНИ ХАРТИИ, ТОМ. 53, НЕ. 8, АВГУСТ 2006
[5] Али Мирвакали, Мохамад Явари, Фаршид Раиси ”Линейна повторно използвана LNA за 1-10.6 GHz UWB приемници” IEICE Electronics Express, Vol.5, No 21,908-914
[6] С. Строх, „Ултрашироколентов достъп: мултимедия изключена“, IEEE Spectrum, кн. 40, бр. 9, стр. 23-27, септември 2003 г.
[7] Владимир Апарин и Лорънс Е. Ларсън, сътрудник, IEEE ”Модифициран метод на производна суперпозиция за линеаризиране на FET усилватели с ниско ниво на шум” IEEE транзакции по теория и техники на микровълните, том. 53, НЕ. 2, ФЕВРУАРИ 2005 г.
[8] A. Batra et al., „Предложение за многолентов OFDM физически слой“, IEEE 802.15-03 / 267r5, юли 2003 г.
[9] Shih-Chih Chen, Ruey-Lue Wang, Hslang-Chen Kuo и Ming-Lung Kung Chang-Sing Gao ”Проектирането на пълнолентов (3.1-10.6GHZ) CMOS UWB усилвател с нисък шум с термично шумопотискане на Азиатско-тихоокеанската микровълнова конференция 2006 г.
[10] SS Mohan, MDM Hershenson, SP Boyd и TH Lee, „Разширение на честотната лента в CMOS с оптимизирани индуктивни индуктори“, IEEE J. Твърди вериги, кн. 35, бр. 3, стр. 346-355, март 2000 г.
[11] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung и Chia-Min Chen „Резониран CMOS усилвател с ниско ниво на шум с индукторно съединение за 3.1-10.6 GHz ултрашироколентова система“
[12] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio „ЛИНЕЙРИЗАЦИОННА ТЕХНИКА ЗА РЧ УСИЛВАТЕЛ НА НИСКИ ШУМ“
[13] Jianyun Hu, Yunliang Zhu и Hui Wu ”Ултрашироколентов усилвател с резистивна обратна връзка с ниско ниво на шум с анулиране на шума
в 0.18μm Цифров CMOS ”978-1-4244-1856-5 / 08 / $ 25.00 © 2008 IEEE
[14] J.-H. Лий, C.-C. Чен и Ю.-С. Lin ”0.18 lm 3.1-10.6 GHz CMOS UWB LNA с 11.4_0.4 dB усилване и 100.7_17.4 ps закъснение” ЕЛЕКТРОННИ БУКВИ 22 ноември 2007 г. Vol. 43 No 24
[15] C.-P. Liang, C.-W. Хуанг, Y.-K. Лин и С.-Ж. Chung ”3-10 GHz ултрашироколентов усилвател с ниско ниво на шум с нова техника на съвпадение” ЕЛЕКТРОННИ БУКВИ 5th August 2010 Vol. 46 № 16
[16] Hongrui Wang, Li Zhang и Zhiping Yu, сътрудник, „Широколентова индукционна LNA с локална обратна връзка и шумопотискане за приложения с ниско напрежение с ниска мощност“ IEEE транзакции на вериги и системи - I: РЕДОВНИ ХАРТИ, ТОМ. 57, НЕ. 8, АВГУСТ 2010
[17] TH Lee, Дизайнът на CMOS радиочестотни интегрални схеми, 1st изд. Ню Йорк: Cambridge Univ. Натиснете, 1998.
[18] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio ”ЛИНЕЙРИЗАЦИОННА ТЕХНИКА ЗА РЧ УСИЛВАТЕЛ НА НИСКИ ШУМ” ISCAS 2004
[19] Али Мирвакали, Мохамад Явари „Контрол на шумопотискащия CMOS LNA за горна лента на UWB DS-CDMA приемници“ Схеми и системи, 2009. ISCAS 2009. Международен симпозиум IEEE
[20] С. Галал и Б. Разави, „Усилвател 40 Gb / s и ESD верига за защита в 0.18 _mCMOS технология“, в IEEE ISSCC Dig. Техн. Документи, февруари 2004 г., стр. 480-481.