by Internet Archive Book Images
A Broadband LNA za UWB prijemnici Upotreba Promjena Izvod superpozicije Način
I. UVOD
Razvoj bežičnih komunikacionih sistema velike brzine postavlja sve veći zahtjev za integriranim jeftinim RF uređajima sa širinom opsega od nekoliko GHz koji rade s najmanjom potrošnjom energije i naponom napajanja. Ultraširokopojasni pristup (IEEE 802.15.3a) pojavljuje se kao nova tehnologija sposobna za velike brzine prenosa podataka (do 1 Gb / s) na kratkim udaljenostima (10 m) pri maloj snazi. Ova tehnologija koristi za neke aplikacije, kao što su bežične lične mreže (WPAN), pružajući okruženje za prenos zvuka, videa i drugih podataka velike propusnosti. Jedan od pristupa koji je predložen za upotrebu spektra od 3.1 do 10.6 GHz dodijeljenog za UWB sisteme, koristi OFDM modulaciju ortogonalne frekvencijske podjele Multiplexin sa 14 podopsega koji zauzima širinu opsega od 528 MHz i šemu brzog skakanja frekvencija [ 1]. U OFDM-u, f-frekvencije pod-nosača okomite su jedna na drugu. Ova metoda eliminira unakrsni razgovor između potkanala, pa shodno tome nisu potrebni zaštitni opsezi među nosačima. Iako standard nije usavršen, prednji širokopojasni LNA je apsolutno neophodan bez obzira na arhitekturu prijemnika. Pojačalo mora udovoljavati nekoliko zahtjeva, na primjer da bi se povezalo s unaprijed odabranim filtrom i antenom, ulazna impedansa pojačala trebala bi biti blizu 50 u željenom UWB opsegu. Međutim, dovoljni dobitak sa širokom širinom opsega za nadjačavanje buke miksera, nizak nivo šuma za poboljšanje osjetljivosti prijemnika, mala potrošnja energije za povećanje vijeka trajanja baterije, mala površina matrice za smanjenje troškova, bezuvjetna stabilnost i dobra linearnost važni su parametri. Između njih postoji bliska trgovina. Generalno poboljšanjem jednog od njih, drugi su uništeni.
II. Faza unosa
Konfiguracije Common-Gate i Cascode dvije su vrste metoda koje se obično koriste za dizajniranje ulaznog stupnja LNA u CMOS krugovima, dok Common-Gate i Cascode struktura pružaju širokopojasno i uskopojasno podudaranje ulaza. Međutim faza Common-gate ima suštinski visoku vrijednost šuma u odnosu na Cascode fazu i moraju se koristiti tehnike poništavanja buke.
Međutim, ulazna impedancija se podešava omjerom pristranosti i širine i širine. Zapravo ova struktura uzima u obzir stupanj slobode za provodljivost tranzistora, a također odabirom odgovarajućeg opterećenja (dobra kombinacija prigušnice i kondenzatora, uzimajući u obzir učinak parazitske kapacitivnosti i tijela), omogućava dostupno podudaranje širokopojasnog ulaza. Ovo opterećenje mora biti proporcionalno r_ds1. Budući da se mijenja gm, ulazna impedancija i odgovarajuća širina pojasa približno su jednake f_T uređaja.
Kapacitet parazitskog tranzistora C_gs počinje igrati ulogu kada radna frekvencija počne rasti. U uskopojasnoj aplikaciji, u ulaznom stupnju dodan je induktivni induktor da rezonira sa C_gsto da poboljša usklađivanje impedanse na željenoj frekvenciji. Međutim, u većini CMOS aplikacija uskog pojasa poželjni su cascode LNA s induktivnom degeneracijom, ali za izolaciju od ulaza do izlaza i izostavljanje puta C_gd, Common-Gate LNA izvodi bolju reverznu izolaciju i stabilnost u odnosu na Common-Source LNA.
III. DIZAJN I ANALIZA KOLA
Predloženi širokopojasni LNA prikazan je na slici 1. Sastoji se od ulaznog stupnja i zajedničkog stupnja izvora. Tabela 1 prikazuje projektne vrijednosti predložene CMOS LNA. Nepristrasna pristranost-T pruža pristranost na vratima M_3 i jednosmjernu putanju struje M_1. Serijski induktor L_4 dalje rezonira sa ulaznim ulazno-izlaznim kapacitetom M_3, što rezultira većom širinom pojasa i određenim rezidualnim vrhom na frekvencijskom odzivu [17]. Parazitske kapacitete M_2
Slika 1. Predloženi širokopojasni LNA za poništavanje šuma
TABELA I
DIZAJN VRIJEDNOSTI PREDLOŽENE CMOS LNA
D_u 4nH (Š / D) 3 135 / 0.18
D_0 0.5 nH (Š / D) 4 37.5 / 0.18
D_1 4.5 nH (Š / D) 5 45 / 0.18
L_2 2.5 nH C_u, C_ (izlazi,) C_3 2PF
L_3 0.9 nH C_1, C_2 1PF
L_4 2.2 nH R_1 290Ω
L_5 0.8 nH R_2 135Ω
(Š / D) 1 18 / 0.18 R_3 40Ω
(Š / D) 2 30 / 0.18
i M_3 izrađuju LC strukturu ljestvice s prigušnicom L_0. Otpornici istosmjernog opterećenja R_1 i R_2 kombiniraju se s indukcijskim induktorima L_1 i L_2, da bi se učinkovito proširio opseg kruga [10]. Serijski vršni induktor L_2 takođe rezonira sa ukupnim parazitskim kapacitetima C_d2 i C_d3 na odvodu M_2 i M_3. Budući da je dodan otpor opterećenja, R_3, kako bi se smanjio Q faktor L_3 za ravno pojačanje. Minimalna dužina kanala od 0.18 μm uzima se u obzir za sve tranzistore u predloženom krugu kako bi se smanjili parazitski kapaciteti i poboljšale frekvencijske performanse. Faza zajedničkog izvora proširuje propusnost, pruža bolju izolaciju i povećava pojačanje frekvencije. U stvari ulazni i zajednički izvor podržavaju niskofrekventno pojačanje, odnosno visokofrekventno pojačanje snage. Kombinacija oba frekvencijska odziva dovodi do pojačanja širokopojasne snage. Tranzistor M5 takođe pomaže povećanju stupnja zajedničkog izvora i ujednačavanju pojačanja frekvencije. Slika 2 prikazuje učinak M5 na parametar S21.
Slika 2 Učinak M5 na parametar S21
Na slici 3 istražuju se efekti M1 kao ulazne faze. Simulirani parametar NF i S11 uspoređuje se sa slučajem kada je M1 ISKLJUČEN. Postoji bliska trgovina između NF i S11. Kada je M_1 uključen, NF se povećava, a parametar S21 smanjuje s istim rasipanjem snage i sličnom širinom pojasa, ali će se, naprotiv, postići prihvatljivo podudaranje ulaza. Dodatnu koncentraciju treba dati karakteristikama buke Common-Gate strukture u ulaznom stupnju, iako tranzistor M_1 pruža širokopojasno podudaranje, ima suštinski visoku vrijednost šuma.
Slika 3. Simulirana slika šuma i izolacija ulaza sa uključenim i isključenim M1.
Da bi se istražile performanse buke, koristi se MOS tranzistorski model šuma sa kanalnom toplotnom bukom. Kao što je prikazano na slici 4, zanemarujući zvuk kapije i treperenja i pretpostavljajući savršeno podudaranje u ovoj analizi, PSD toplotnog šuma kanala (i_ (n, d) ^ 2) ̅ dat je kao
(i_ (n, d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do ∆f = 4KT γ / α g_m ∆f (1)
Gdje je Boltzmannova konstanta, je apsolutna temperatura u Kelvinima, γ je MOS-ov koeficijent tranzistora kanalskog toplotnog šuma, α definira se kao omjer provodljivosti g_ i odvodne provodljivosti n_-odstupanja g_ds i propusna širina preko koje je vrijednost šuma se mjeri.
Sljedeće jednadžbe opisuju broj buke pomoću R_1, M_1, M_2 i M_3 koji doprinose ukupnoj vrijednosti buke [1]
Slika 4. Princip šeme šuma
Ako se utvrdi uvjet (2), izostavlja se buka M_1 [1].
g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)
Sljedeće jednadžbe opisuju broj buke pomoću R_1, M_2 i M_3 koji doprinose ukupnoj vrijednosti buke.
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)
Dakle, ukupna vrijednost buke može se približiti kao (6)
F_ukupno = 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.SIMULACIJSKI REZULTAT
Krug je simuliran sa 0.18 μm TSMC bibliotekom softvera Hspice. Sve simulacije se rade s obzirom na ulazne i izlazne terminale od 50Ω. Na slici 5 (a) simuliraju se snaga pojačanja i obrnuta izolacija LNA. Prosječna snaga pojačanja je približno 14.5 dB sa talasanjem od 0.7 dB u frekvencijskom opsegu. Obrnuta izolacija je manja od -35dB. Slika 5 (b) prikazuje broj šuma, ulaznu i izlaznu izolaciju. NF je manji od 2.9 dB, S11 je manji od-14.8 db, a S22 je približno manji od -10 dB.
(B)
Slika 5. (a) Simulirana snaga pojačanja i obrnuta izolacija (b) Simulirana slika buke, ulazna i izlazna izolacija
„Slika 6“ prikazuje IIP3 sklopa u odnosu na frekvenciju.
Slika 7. Izmjereni IIP3 u odnosu na frekvenciju
Rezultati ovog rada prikazani su u „TABELI II“ i upoređeni su sa nedavno objavljenim CMOS LNA-ima.
TABELA 2 SAŽETAK PERFORMANSE
VI. ZAKLJUČAK
Ovaj rad predstavlja novi dizajn UWB LNA strukture zasnovan na standardnoj RFCMOS tehnologiji. Zadovoljavajuće podudaranje ulaza i performanse buke dobijaju se u odnosu na kompromise između ulazne impedancije stupnja zajedničke kapije i njegove. performanse buke. Izmjerena vrijednost šuma manja je od 2.9 dB na 3.1-10.6 GHz. Vrijedno je spomenuti ravno pojačanje u svim LNA dizajnom, a simulirano pojačanje snage iznosi 14.5 ± 0.7 dB.
REFERENCE
[1] Chih-Fan Liao i Shen-Iuan Liu, „Širokopojasni CMOS LNA za uklanjanje buke za UWB prijemnike od 3.1 do 10.6 GHz“ IEEE ZBORNIK ČVRSTIH DRŽAVNIH KOLOVA, VOL. 42, NO. 2, VELJAČA 2007
[2] Kuang-Chi He, Ming-Tsung Li, Chen-Ming Li i Jenn-Hwan Tarng, paralelno-RC povratno pojačalo sa niskim nivoom buke za UWB aplikacije IEEE TRANSAKCIJE NA KRUGOVIMA I SISTEMIMA – II: EKSPRESNI KRATKI, VOL. 57, NO. 8. AVGUST 2010
[3] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung i Chia-Min Chen ”Spajanje induktora
Rezonirano CMOS pojačalo za malu buku za ultra širokopojasni sistem od 3.1 do 10.6 GHz ”© 2009 IEEE
[4] Yang Lu, Kiat Seng Yeo, Alper Cabuk, Jianguo Ma, Manh Anh Do i Zhenghao Lu ”, novi CMOS pojačavač sa niskom bukom za ultraširokopojasne bežične prijemnike od 3.1 do 10.6 GHz” KOLOVOZI I SISTEMI – I: REDOVNI RADOVI, VOL. 53, NO. 8, AVGUST 2006
[5] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari, Farshid Raissi ”Linearni LNA koji se ponovo koristi za UWB prijemnike od 1-10.6 GHz” IEICE Electronics Express, Vol.5, No.21,908-914
[6] S. Stroh, „Ultraširokopojasni pristup: multimedija isključena“, IEEE Spectrum, vol. 40, br. 9, str. 23-27, septembar 2003.
[7] Vladimir Aparin i Lawrence E. Larson, saradnik, IEEE ”Modifikovana metoda derivatne superpozicije za linearizaciju FET pojačavača sa niskim nivoom buke” IEEE TRANSAKCIJE O TEORIJI I TEHNIKAMA MIKROVALOVA, VOL. 53, NO. 2, VELJAČA 2005
[8] A. Batra i dr., „Višefrekventni OFDM prijedlog fizičkog sloja“, IEEE 802.15-03 / 267r5, jul 2003.
[9] Shih-Chih Chen, Ruey-Lue Wang, Hslang-Chen Kuo i Ming-Lung Kung Chang-Sing Gao ”Dizajn cijelog opsega (3.1-10.6GHZ) CMOS UWB pojačala sa niskim nivoom buke sa termičkim poništavanjem buke Azijsko-pacifičke konferencije o mikrotalasima 2006.
[10] SS Mohan, MDM Hershenson, SP Boyd i TH Lee, „Proširenje širine pojasa u CMOS-u s optimiziranim induktivitetima na čipu“, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, br. 3, str. 346-355, mart 2000.
[11] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung i Chia-Min Chen "CMOS pojačalo sa niskom razinom buke rezonirano na induktorsku spregu za ultraširokopojasni sistem od 3.1-10.6 GHz"
[12] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio ”TEHNIKA LINEARIZACIJE ZA RF pojačalo niskog nivoa buke”
[13] Jianyun Hu, Yunliang Zhu i Hui Wu ”Ultraširokopojasno pojačavajuće povratno-povratno pojačalo sa niskom bukom sa poništavanjem buke
u digitalnom CMOS-u od 0.18 μm ”978-1-4244-1856-5 / 08 / $ 25.00 © 2008 IEEE
[14] J.-H. Lee, C.-C. Chen i Y.-S. Lin ”0.18 lm 3.1-10.6 GHz CMOS UWB LNA sa pojačanjem od 11.4_0.4 dB i zastojem u grupi od 100.7_17.4 ps” ELEKTRONSKA PISMA 22. novembar 2007. Vol. 43 br. 24
[15] C.-P. Liang, C.-W. Huang, Y.-K. Lin i S.-J. Chung ”ultraširokopojasno pojačalo sa niskim šumom od 3-10 GHz sa novom tehnikom podudaranja” ELEKTRONSKA PISMA 5. avgust 2010. god. 46 br. 16
[16] Hongrui Wang, Li Zhang i Zhiping Yu, kolega, „Širokopojasni bezinduktorski LNA sa lokalnom povratnom spregom i prigušivačem buke za niskonaponske niskonaponske aplikacije“ IEEE TRANSAKCIJE NA KOLOVIMA I SISTEMIMA - I: REDOVNI PAPIRI, VOL. 57, NO. 8. AVGUST 2010
[17] TH Lee, Dizajn CMOS radio-frekvencijskih integrisanih krugova, 1. izd. New York: Cambridge Univ. Press, 1998.
[18] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio ”TEHNIKA LINEARIZACIJE ZA RF pojačalo niskog nivoa buke” ISCAS 2004
[19] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari „CMOS LNA dizajn za uklanjanje buke za gornji opseg UWB DS-CDMA prijemnika“, sklopovi i sistemi, 2009. ISCAS 2009. IEEE Međunarodni simpozijum o
[20] S. Galal i B. Razavi, „Pojačalo od 40 Gb / s i ESD zaštitni krug u 0.18 _mCMOS tehnologiji“, u IEEE ISSCC Dig. Tech. Radovi, februar 2004., str. 480-481.