door Internet Archive Book Images
Een breedband LNA voor UWB ontvangers gebruik van gewijzigd Derivative Superposition Method
I. INLEIDING
De ontwikkeling van de high-speed draadloze communicatiesystemen zet toenemende verzoek geïntegreerde low-cost RF-apparaten met multi-GHz bandbreedte die werken bij de laagste stroomverbruik en voedingsspanning. Ultra-wideband (IEEE 802.15.3a) verschijnt als een nieuwe technologie die in staat voor hoge overdrachtssnelheden (tot 1 Gb / s) op korte afstanden (10 m) op laag vermogen. Deze technologie maakt gebruik van een toepassing zoals draadloze persoonlijke netwerken (WPANs), een omgeving voor de transmissie van audio, video, en andere hoge bandbreedte data. Een van de benadering die is voorgesteld om het spectrum van 3.1-10.6-GHz UWB systemen waren toegewezen, gebruikt Orthogonal Frequency Division Multiplexin OFDM modulatie met 14 subbanden welke 528 MHz bandbreedte en een snel frequency hopping regeling [inneemt 1]. In OFDM, de hulpdraaggolf f requencies loodrecht op elkaar. Deze werkwijze elimineert de overspraak tussen de subkanalen en dienovereenkomstig inter-carrier veiligheidsbanden niet nodig. Hoewel de standaard niet volmaakt, een front-end wideband LNA absoluut noodzakelijk ongeacht de ontvangerarchitectuur. De versterker moet voldoen aan een aantal vereisten, bijvoorbeeld om met de voorkeuzetoets filter en antenne, moet de versterker ingangsimpedantie dichtbij 50 via gewenste UWB band. Maar voldoende winst met brede bandbreedte aan overtop het geluid van een mixer, een laag geluidsniveau figuur ontvanger gevoeligheid, een laag energieverbruik te verbeteren levensduur van de batterij, kleine sterven gebied te vergroten om de kosten, onvoorwaardelijke stabiliteit en goede lineariteit zijn belangrijke parameters te verminderen. Er is een nauwe wisselwerking tussen hen. Gewoonlijk door verbetering van een van hen, de anderen geruïneerd.
II. ingangstrap
Common-poort en Cascode configuraties zijn twee soorten methoden meestal gebruikt om de input van LNA in CMOS circuits te ontwerpen, terwijl de gemeenschappelijke-Gate en Cascode structuur bieden een breed-band en smalle-band ingang respectievelijk passen. Echter Common-gate fase heeft een intrinsiek hoge ruisgetal versus Cascode podium en de noise-cancelling technieken moeten worden gebruikt.
De ingangsimpedantie wordt echter bepaald door bias en W / L-verhouding. In feite houdt deze structuur rekening met een vrijheidsgraad voor transconductantie van transistor en ook door het kiezen van een geschikte belasting (een goede combinatie van inductor en condensatoren, rekening houdend met het effect van parasitaire capaciteit en lichaam), biedt het een beschikbare breedbandingangsaanpassing. Deze belasting moet evenredig zijn met r_ds1. Aangezien gm verandert, zijn de ingangsimpedantie en de bijpassende bandbreedte ongeveer gelijk aan de f_T van het apparaat.
De parasitaire transistor capaciteit C_gs begint te spelen rol bij de werkfrequentie begint te stijgen. In de smalbandige toepassing wordt een shunt inductor toegevoegd aan de ingangstrap resoneren C_gsto verbeteren impedantie op de gewenste frequentie. In de meeste van CMOS smalle band toepassingen, cascode LNA inductieve degeneratie heeft de voorkeur, maar voor het isoleren van de ingang naar de uitgang en weglaten van de C_gd pad, het gemeenschappelijk-Gate LNA beter presteert reverse isolatie en stabiliteit versus gemeenschappelijk-bron LNA.
III. CIRCUIT ONTWERP EN ANALYSE
De voorgestelde breedband LNA wordt getoond in Fig. 1. Het bestaat uit een ingangstrap en een gemeenschappelijke bron stadium. Tabel 1 toont het ontwerp waarden van de voorgestelde CMOS LNA. Een off-chip vooringenomenheid-T biedt de poort vertekening van M_3 en de DC huidige pad van M_1. De serie inductor L_4 verder resoneert met de ingang gate- source capaciteit van M_3, waardoor een grotere bandbreedte en een aantal resterende piekende op de frequentierespons [17]. De parasitaire capaciteiten van M_2
Fig. 1. Voorgestelde breedband-noise-cancelling LNA
Tabel I
DESIGN WAARDEN VAN DE VOORGESTELDE 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
en M_3 maak een LC ladder structuur met spoel L_0. De DC belastingsweerstanden R_1 en R_2 worden gecombineerd met shunt piek spoelen L_1 en L_2 respectievelijk circuit bandbreedte uit te breiden effectief [10]. De serie piek spoel L_2 ook resoneren met de totale parasitaire capaciteiten C_d2 en C_d3 bij de afvoer van M_2 en M_3. Aangezien de belastingsweerstand R_3, wordt toegevoegd aan de Q factor L_3 voor vlakke versterking verminderen. De minimale kanaallengte van 0.18μm wordt overwogen voor alle transistoren in de voorgestelde schakeling parasitaire capaciteiten minimaliseren en frequentie te verbeteren. De gemeenschappelijke bron stadium breidt bandbreedte, zorgt voor een betere isolatie en verhoogt de frequentie gewin. In feite respectievelijk de ingangstrap en de gemeenschappelijke bron stadium support laagfrequente vermogensversterking en hoogfrequentievermogen gain. De combinatie van beide frequentieresponsen tot een breedband machtsaanwinst. Transistor M5 helpt ook gemeenschappelijke bron podium te verhogen en glad frequentie gewin. Fig. 2 toont het effect van M5 de parameter S21.
Fig. 2 Het effect van M5 op de parameter S21
In Fig. 3 de effecten van M1 als ingangstrap onderzocht. De gesimuleerde NF en S11 parameter wordt vergeleken met het geval M1 wordt uitgeschakeld. Er is een nauwe afruil tussen de NF en S11. Wanneer M_1 is ingeschakeld, wordt de NF vergroot en S21 parameter af met dezelfde vermogensdissipatie en eenzelfde bandbreedte, maar integendeel een aanvaardbare ingangsaanpassingsschakeling wordt bereikt. Extra concentratie moet worden gegeven aan de geluidseigenschappen van het gemeenschappelijk-poort structuur in de ingangstrap, hoewel transistor M_1 biedt een breedbandige matching, heeft per definitie een ruisgetal.
Fig. 3. Gesimuleerde ruisgetal en input isolatie met M1 in- en uitgeschakeld.
Om het geluidsniveau te onderzoeken, wordt de MOS transistor ruismodel het kanaal thermische ruis gebruikt. Zoals getoond in Fig.4 verwaarlozen de poort en flikkering geluiden en uitgaande van een perfecte match in deze analyse, de PSD van het kanaal thermische ruis (i_ (n, d) ^ 2) ̅ gegeven als
(I_ (n, d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do Af = 4KT γ / α g_m Af (1)
Waar is de constante van Boltzmann, is de absolute temperatuur in Kelvin, γ is de coëfficiënt van de thermische kanaalruis van de MOS-transistor, α wordt gedefinieerd als de verhouding van de transconductantie g_ en de nul-bias drain-conductantie g_ds en is de bandbreedte waarover het ruisgetal wordt respectievelijk gemeten.
De volgende vergelijkingen beschrijven het geluid cijfer met R_1, M_1, M_2 en M_3 dat zij bijdragen aan de totale geluidsoverlast cijfer [1]
Fig. 4. Principe van het lawaai schema
Als de aandoening (2) is gevestigd, het geluid van M_1 wordt weggelaten [1].
g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)
De volgende vergelijkingen beschrijven het geluid cijfer met R_1, M_2 en M_3 dat zij bijdragen aan de totale geluidsoverlast figuur.
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)
Zo kan het totale bedrag geluid worden benaderd als (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 RESULTAAT
Het circuit werd gesimuleerd met 0.18μm TSMC bibliotheek Hspice software. Alle simulaties worden uitgevoerd overweegt 50Ω input en output terminals. In Fig.5 (a) de macht te krijgen en omgekeerde isolatie van de LNA zijn gesimuleerd. De gemiddelde winst vermogen is ongeveer 14.5 dB met 0.7 dB rimpeling in het frequentiebereik. Het omgekeerde isolatie minder dan -35dB. Fig.5 (b) toont het lawaai figuur, input en output isolement. De NF minder dan 2.9 dB, S11 minder dan 14.8db en S22 ongeveer minder dan -10dB.
(B)
Fig. 5. (A) gesimuleerde winst vermogen en omgekeerde isolatie (b) Gesimuleerde Ruisgetal, ingang isolatie en output isolatie
"Fig.6" toont de IIP3 van het circuit versus frequentie.
Fig. 7. Gemeten versus frequentie IIP3
De resultaten van dit werk worden getoond in "TABEL II" en worden vergeleken met recent gepubliceerde CMOS LNA's.
Tabel 2 PRESTATIES OVERZICHT
VI. CONCLUSIE
Dit artikel presenteert een nieuw ontwerp van een UWB LNA structuur op basis van een standaard RFCMOS technologie. Bevredigende ingang matching en geluidsniveau verkregen na over de afwegingen tussen de ingangsimpedantie van de gemeenschappelijke poort stadium ervan. ruis prestaties. De gemeten geluid cijfer is minder dan 2.9 dB over 3.1-10.6-GHz. Een vlakke winst is het vermelden waard in alle LNA ontwerp en de gesimuleerde macht te krijgen is 14.5 0.7 ± dB.
REFERENTIES
[1] Chih-Fan Liao en Shen-Iuan Liu, "Een breedband ruisonderdrukkende CMOS LNA voor 3.1-10.6 GHz UWB-ontvangers" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 42, GEEN. 2, FEBRUARI 2007
[2] Kuang-Chi He, Ming-Tsung Li, Chen-Ming Li en Jenn-Hwan Tarng, Parallel-RC Feedback Low-Noise Amplifier voor UWB-toepassingen IEEE-TRANSACTIES OP CIRCUITS EN SYSTEMEN – II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 57, NR. 8, AUGUSTUS 2010
[3] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung en Chia-Min Chen ”An Inductor-Coupling
Geresoneerde CMOS-versterker met lage ruis voor 3.1-10.6 GHz ultrabreedband-systeem ”© 2009 IEEE
[4] Yang Lu, Kiat Seng Yeo, Alper Cabuk, Jianguo Ma, Manh Anh Do en Zhenghao Lu "Een nieuw CMOS-geluidsarm versterkerontwerp voor 3.1 tot 10.6 GHz ultrabreedband draadloze ontvangers" IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS EN SYSTEMEN – I: NORMALE PAPIEREN, VOL. 53, NEE. 8, AUGUSTUS 2006
[5] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari, Farshid Raissi "Een lineair hergebruikt LNA voor 1-10.6 GHz UWB-ontvangers" IEICE Electronics Express, Vol.5, nr. 21,908-914
[6] S. Stroh, "Ultra-wideband: multimedia unplugged", IEEE Spectrum, vol. 40, nee. 9, blz. 23-27, september 2003.
[7] Vladimir Aparin en Lawrence E. Larson, Fellow, IEEE "Modified Derivative Superposition Method for Linearizing FET Low Noise Amplifiers" IEEE TRANSACTIONS ON MICROGOLF THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NEE. 2, FEBRUARI 2005
[8] A. Batra et al., "Multi-band OFDM Physical Layer Proposal", IEEE 802.15-03 / 267r5, juli 2003.
[9] Shih-Chih Chen, Ruey-Lue Wang, Hslang-Chen Kuo en 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 van Asia-Pacific Microwave Conference 2006.
[10] SS Mohan, MDM Hershenson, SP Boyd en TH Lee, "Bandbreedte-uitbreiding in CMOS met geoptimaliseerde on-chip inductors", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, nee. 3, blz. 346-355, maart 2000.
[11] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung en Chia-Min Chen "An Inductor-Coupling Resonated CMOS Low Noise Amplifier for 3.1-10.6GHz Ultra-Wideband System"
[12] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio "EEN LINEARISATIETECHNIEK VOOR RF LOWNOISE-VERSTERKER"
[13] Jianyun Hu, Yunliang Zhu en Hui Wu ”Een ultra-breedband resistieve feedback geluidsarme versterker met ruisonderdrukking
in 0.18 μm digitale CMOS ”978-1-4244-1856-5 / 08 / $ 25.00 © 2008 IEEE
[14] J.-H. Lee, C.-C. Chen en Y.-S. Lin ”0.18 lm 3.1-10.6 GHz CMOS UWB LNA met 11.4_0.4 dB versterking en 100.7_17.4 ps groepsvertraging” ELECTRONICS LETTERS 22 november 2007 Vol. 43 nr. 24
[15] C.-P. Liang, C.-W. Huang, Y.-K. Lin en S.-J. Chung ”3-10 GHz ultrabreedband ruisarme versterker met nieuwe bijpassende techniek” ELECTRONICS LETTERS 5 augustus 2010 Vol. 46 nr. 16
[16] Hongrui Wang, Li Zhang en Zhiping Yu, fellow, "Een breedband-inductorloze LNA met lokale feedback en ruisonderdrukking voor laagspannings-laagspanningstoepassingen" IEEE-TRANSACTIES OP CIRCUITS EN SYSTEMEN – I: REGULAR PAPERS, VOL. 57, NR. 8, AUGUSTUS 2010
[17] TH Lee, het ontwerp van de CMOS-Radio Frequency Integrated Circuits, 1st ed. New York: Cambridge Univ. Press, 1998.
[18] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio "EEN LINEARISATIETECHNIEK VOOR RF LOWNOISE VERSTERKER" ISCAS 2004
[19] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari "A Noise Cancelling CMOS LNA Design for the Upper Band of UWB DS-CDMA Receivers" Circuits and Systems, 2009. ISCAS 2009. IEEE International Symposium on
[20] S. Galal en B. Razavi, "40 Gb / s versterker en ESD-beveiligingscircuit in 0.18 _mCMOS-technologie", in IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, februari 2004, blz.480-481.