Internet Archive Kirja Images
Broadband LNA varten UWB vastaanottimet käyttämällä muunnettua Johdannaissopimukset Superposition Method
I. JOHDANTO
Kehittäminen suurten nopeuksien langattomat viestintäjärjestelmät asettaa yhä pyyntöön integroidut edullisia radiotaajuuslaitteista multi-GHz toimivat pienin virrankulutus ja käyttöjännite. Ultra-wideband (IEEE 802.15.3a) näkyy uusi teknologia, joka pystyy suuren tiedonsiirtonopeus (jopa 1 Gb / s) lyhyitä matkoja (10 m) pienellä teholla. Tämä tekniikka käyttää jonkin sovelluksen, kuten langaton henkilökohtainen verkot (WPANs), joka tarjoaa ympäristön siirto audio-, video- ja muiden korkean kaistanleveyden datan. Yksi lähestymistapa, jota on ehdotettu käyttää kirjo 3.1-10.6-GHz varattu UWB, käyttää Orthogonal Frequency Division Multiplexin OFDM modulaatio kanssa 14 alikaistojen kumpi vie 528 MHz kaistanleveys ja nopean taajuus-hopping järjestelmään [ 1]. OFDM, alikantoaallon f requencies ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden. Tämä menetelmä eliminoi ylikuulumisen välillä alikanavat ja näin ollen kantoaaltojen väliset suojakaistat eivät ole tarpeen. Vaikka standardi ei ole täydelliseksi, etupään laajakaistainen LNA on ehdottoman välttämätöntä riippumatta vastaanottimen arkkitehtuuria. Vahvistin on täytettävä useita vaatimuksia, esimerkiksi rajapinta esivalinta suodatin ja antennin, vahvistimen tuloimpedanssi olisi lähellä 50 yli halutun UWB bändi. Kuitenkin riittävä vahvistus laaja kaistanleveys on overtop melu mikseri, hiljainen luku parantaa vastaanottimen herkkyyttä, alhainen virrankulutus lisätä akun, pieni die alue alentaa, ehdoton pysyvyys ja hyvä lineaarisuus ovat tärkeitä parametrejä. On läheinen kompromissi niiden välillä. Yleensä parantamalla yksi niistä, toiset ovat pilalla.
II. input vaiheessa
Yhteinen-portti ja cascode kokoonpanot ovat kahdenlaisia menetelmiä tavallisesti käytetään suunnitteluun ottovaihe LNA CMOS piirejä, kun taas yhteisessä-Gate ja cascode rakenne antaa laajakaistainen ja kapeakaistainen tulo matching vastaavasti. Kuitenkin yhteinen-portti vaiheessa on luonnostaan korkea melu kuva versus cascode vaiheessa ja melua vaimentava tekniikkaa tulee noudattaa.
Tuloimpedanssi asetetaan kuitenkin bias & W / L -suhteella. Itse asiassa tässä rakenteessa otetaan huomioon jonkin verran vapautta transistorin transkonduktanssille ja myös valitsemalla sopiva kuorma (hyvä induktorin ja kondensaattorien yhdistelmä ottaen huomioon loisen kapasitanssin ja rungon vaikutuksen), saadaan käytettävissä oleva laajakaistatulo. Tämän kuorman on oltava verrannollinen r_ds1: een. Koska gm muuttuu, tuloimpedanssi ja vastaava kaistanleveys ovat suunnilleen yhtä suuret kuin laitteen f_T.
Loistaudit transistori kapasitanssi C_gs alkaa toistaa rooleista toiminta taajuus alkaa nousta. Vuonna kapea sovellus, liukuvat kela lisätään tulo vaiheessa tehoavat C_gsto tehostaa impedanssi halutulla taajuudella. Kuitenkin useimmissa CMOS kapea sovelluksiin, cascode LNA induktiivisella rappeuma on parempi, mutta eristämiseen tulo lähtöön ja jättämällä että C_gd polku, yhteinen-Gate LNA suoriutuu paremmin käänteisen eristämistä ja vakautta verrattuna Common-Source LNA.
III. CIRCUIT suunnittelu ja analyysi
Ehdotetun laajakaistaisen LNA on esitetty kuviossa. 1. Se koostuu tulo vaiheessa ja yleinen syy vaiheessa. Taulukossa 1 esitetään mitoitusarvojen ehdotetun CMOS LNA. Off-chip bias-T tarjoaa portin bias M_3 ja tasavirtaa polku M_1. Sarjan IC L_4 edelleen resonoi tulo yhdyskäytävän lähde kapasitanssi M_3, mistä seuraa suurempi kaistanleveys ja jäänteitä korkeimmillaan taajuusvasteeseen [17]. Loistaudit kapasitanssit M_2
Kuva. 1. Ehdotettu laajakaista melua vaimentava LNA
TAULUKKO I
Mitoitusarvot EHDOTETUN 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_ (out,) 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
ja M_3 tehdä LC tikkaat rakenne IC L_0. DC kuormitusvastukset R_1 ja R_2 yhdistetään shuntti korkeimmillaan induktorit L_1 ja L_2 vastaavasti laajentaa piiri kaistanleveys tehokkaasti [10]. Sarjan korkeimmillaan kela L_2 myös tehoavat koko loiskapasitanssien C_d2 ja C_d3 klo valua M_2 ja M_3. Koska kuorman vastus, R_3, lisätään vähentämään Q tekijä L_3 litteiden hyötyä. Pienin kanavan pituus 0.18μm pidetään kaikille transistorit ehdotetussa piirissä minimoida loiskapasitanssien ja parantaa taajuus suorituskykyä. Yhteinen lähde vaiheessa ulottuu kaistanleveys, tarjoaa paremman eristyksen ja kasvattaa vahvistusta. Itse tulo vaiheessa ja yhteinen lähde vaiheessa tukea alhaisen taajuuden virtalähde vahvistus ja korkean taajuuden teho vahvistus, tässä järjestyksessä. Yhdistelmä molempien taajuusvasteen johtaa laajakaistan teho voitto. Transistori M5 auttaa myös yhteinen lähde vaiheessa lisätä ja sileä vahvistusta. Kuva. 2 esittää vaikutuksen, joka M5 on S21 parametrin.
Kuva. 2 vaikutus M5 on S21 parametrin
Kuviossa. 3 vaikutukset M1 syötteenä vaiheessa tutkitaan. Simuloitu NF ja S11 parametri verrataan tapauksessa M1 on pois päältä. On läheinen kompromissi välillä NF ja S11. Kun M_1 on päällä, NF lisääntyy ja S21 parametri pienenee samalla tehohäviö ja samanlainen kaistanleveyttä, vaan päinvastoin hyväksyttävää tulo matching saavutetaan. Extra pitoisuus olisi annettava meluominaisuuksien yhteisen-Gate rakenne tulo vaiheessa, vaikka transistori M_1 tarjoaa laajakaistaisen matching, se on luontaisesti korkea melu kuva.
Kuva. 3. Simuloitu melu kuva ja panos eristäminen M1 kytketään päälle ja pois päältä.
Tutkiakseen melutasoon, MOS-transistori melu malli kanavan terminen kohina käytetään. Kuten esitetään Fig.4, unohtamatta portti ja välkynnän ääniä ja olettaen täydellisesti tässä analyysissä, PSD kanavan lämpö melua (i_ (n, d) ^ 2) ̅ annetaan
(I_ (n, d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do Af = 4KT γ / α g_m Af (1)
Missä on Boltzmann-vakio, on absoluuttinen lämpötila Kelvineinä, γ on MOS-transistorin kanavan lämpökohinan kerroin, α määritetään transkonduktanssin g_suhteeksi nollapoikkeaman tyhjenemiskerroin g_ds ja se on kaistanleveys, jonka yli kohina on mitataan vastaavasti.
Seuraavat yhtälöt kuvaavat melu kuva by R_1, M_1, M_2 ja M_3 että ne edistävät yleistä melu luku [1]
Kuva. 4. Periaate melu kaavamaisen
Jos ehto (2) on perustettu melu M_1 jätetään pois [1].
g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)
Seuraavat yhtälöt kuvaavat melu kuva by R_1, M_2 ja M_3 että ne edistävät yleistä melua luku.
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)
Siten koko melu kuva voidaan approksimoida (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.SIMULATION TULOS
Piiri simuloitiin 0.18μm TSMC kirjasto Hspice ohjelmisto. Kaikki simulaatiot ovat tehneet harkitsevat 50Ω tulo- ja lähtöliittimiin. Vuonna Fig.5 (a) saadakseen valtaa ja kääntää eristäminen LNA simuloidaan. Keskimääräinen voitto teho on noin 14.5 dB 0.7 dB aaltoilu taajuusalueella. Päinvastainen eristäminen on alle -35dB. Fig.5 (b) esittää melu kuva, tulon ja lähdön eristäminen. NF on alle 2.9 dB, S11 on alle-14.8db ja S22 on alle noin -10dB.
(B)
Kuva. 5. (A) simuloitu voitto voimaa ja kääntää eristäminen (b) simuloitu Kohinaluku, panos eristäminen ja lähdön eristäminen
“Kuva 6” näyttää piirin IIP3: n taajuuden suhteen.
Kuva. 7. Mitattu IIP3 vs. taajuus
Tämän työn tulokset on esitetty taulukossa II ja niitä verrataan äskettäin julkaistuihin CMOS-LNA: hin.
TAULUKKO 2 tehokkuusyhteenveto
VI. YHTEENVETO
Tutkimuksessa esitetään uusi suunnittelu UWB LNA rakenne perustuu standardiin RFCMOS tekniikkaa. Tyydyttävä panos matching ja melu suorituskykyä saadaan jälkeen koskien kompromisseja tuloimpedanssi yhteisen portin vaiheessa ja sen. melutasoon. Mitattu melu luku on pienempi kuin 2.9 dB yli 3.1-10.6-GHz. Litteä voitto on syytä mainita kaikissa LNA suunnittelu ja simuloitu teho voitto on 14.5 ± 0.7 dB.
REFERENSSIT
[1] Chih-Fan Liao ja Shen-Iuan Liu, ”Laajakaistan melua vaimentava CMOS LNA 3.1–10.6 GHz: n UWB-vastaanottimille”, IEEE-KIINTEÄN JÄSENVIRTA, VOL. 42, EI. 2. helmikuuta 2007
[2] Kuang-Chi He, Ming-Tsung Li, Chen-Ming Li ja Jenn-Hwan Tarng, Parallel-RC Feedback Low-Noise Amplifier for UWB Applications IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS and SYSTEMS – II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 57, EI. 8. elokuuta 2010
[3] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung ja Chia-Min Chen "Induktori-kytkin
Resonoitu CMOS-hiljainen vahvistin 3.1-10.6 GHz: n ultralaajakaistaiselle järjestelmälle ”© 2009 IEEE
[4] Yang Lu, Kiat Seng Yeo, Alper Cabuk, Jianguo Ma, Manh Anh Do ja Zhenghao Lu ”Uusi CMOS: n matala melutason vahvistin 3.1–10.6 GHz: n ultralaajakaistaisille langattomille vastaanottimille” IEEE-TOIMINNAT PÄÄLLÄ PIIRIT JA JÄRJESTELMÄT - I: SÄÄNNÖLLISET PAPERIT, VOIMA. 53, EI. 8. elokuuta 2006
[5] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari, Farshid Raissi ”Lineaarisesti uudelleenkäytetty LNA 1–10.6 GHz: n UWB-vastaanottimille” IEICE Electronics Express, osa 5, nro 21,908 914 XNUMX
[6] S. Stroh, ”Erittäin laajakaista: multimedia irrotettu”, IEEE Spectrum, voi. 40, ei. 9, s. 23--27, syyskuu 2003.
[7] Vladimir Aparin ja Lawrence E. Larson, stipendiaatti, IEEE: n muokattu johdannaisten superpositiomenetelmä FET-matala-kohinavahvistimien linearisoimiseksi. IEEE-TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, EI. 2. helmikuuta 2005
[8] A. Batra et ai., "Multi-band OFDM fyysisen kerroksen ehdotus", IEEE 802.15-03 / 267r5, heinäkuu 2003.
[9] Shih-Chih Chen, Ruey-Lue Wang, Hslang-Chen Kuo ja Ming-Lung Kung Chang-Sing Gao ”Koko taajuusalueen (3.1–10.6 GHz) CMOS UWB -äänivahvistimen suunnittelu lämpöäänenvaimennuksella”. Aasian ja Tyynenmeren mikroaaltouunikonferenssi 2006.
[10] SS Mohan, MDM Hershenson, SP Boyd ja TH Lee, "Kaistanleveyden laajennus CMOS: ssä optimoiduilla sirun induktoreilla", IEEE J.Solid-State Circuits, voi. 35, ei. 3, s. 346-355, maaliskuu 2000.
[11] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung ja Chia-Min Chen "Induktorikytkentäresonoitu CMOS-matalamelun vahvistin 3.1-10.6 GHz: n ultralaajakaistaiselle järjestelmälle"
[12] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio ”LINEARISOINTITEKNIIKKA Radiotaajuuksien kotiutusvahvistimelle”
[13] Jianyun Hu, Yunliang Zhu ja Hui Wu ”Erittäin laajakaistainen resistiivisen palautteen hiljainen vahvistin, melua vaimentava
0.18 μm: n digitaalisessa CMOS-muodossa ”978-1-4244-1856-5 / 08 / 25.00 $ © 2008 IEEE
[14] J.-H. Lee, C.-C. Chen ja Y.-S. Lin ”0.18 lm 3.1–10.6 GHz CMOS UWB LNA 11.4_0.4 dB: n vahvistuksella ja 100.7_17.4 ps: n ryhmäviiveellä” ELECTRONICS LETTERS 22. marraskuuta 2007 Voi. 43 nro 24
[15] C.-P. Liang, C.-W. Huang, Y.-K. Lin ja S.-J. Chung ”3-10 GHz: n ultralaajakaistainen hiljainen vahvistin uudella sovitustekniikalla” ELECTRONICS LETTERS 5. elokuuta 2010 Voi. 46 nro 16
[16] Hongrui Wang, Li Zhang ja Zhiping Yu, stipendiaatti, "Laajakaistainen induktoriton LNA, jossa on paikallista palautetta ja melunvaimennus pienitehoisille pienjännitesovelluksille" IEEE-LIIKETOIMET VIRHEILLE JA JÄRJESTELMILLE - I: SÄÄNNÖLLISET PAPERIT, VOL. 57, EI. 8. elokuuta 2010
[17] TH Lee, suunnittelu CMOS radio-Frequency Integrated Circuits, 1st ed. New York: Cambridge Univ. Press, 1998.
[18] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio ”LINEARISOINTITEKNIIKKA Radiotaajuuksien kotiutusvahvistimille” ISCAS 2004
[19] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari ”Melua vaimentava CMOS LNA -suunnittelu UWB DS-CDMA -vastaanottimien yläkaistalle” Piirit ja järjestelmät, 2009. ISCAS 2009. IEEE: n kansainvälinen symposium
[20] S. Galal ja B. Razavi, "40 Gb / s vahvistin ja ESD-suojapiiri 0.18 _mCMOS -tekniikassa", IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, helmikuu 2004, s.480-481.