Blog

Szerokopasmowego LNA dla UWB odbiorników za pomocą modyfikowanej pochodnej metodą superpozycji

I. WSTĘP
Rozwój systemów komunikacji bezprzewodowej szybkich stawia coraz większe żądania dotyczącego zintegrowanego tanich urządzeń radiowych o szerokości pasma multi-GHz działających przy najniższym zużyciu energii i napięciowych. Ultra Wideband (IEEE 802.15.3a) pojawia się jako nową technologią zdolną do wysokiej szybkości transmisji danych (do 1 Gb / s), w krótkich odległościach (10 m) przy niskim poborze mocy. Technologia ta wykorzystuje do niektórych aplikacji, takich jak osobiste bezprzewodowych sieciach rozległych (WPAN), stworzenie warunków do transmisji audio, wideo i innych danych o wysokiej przepustowości. Jednym z podejściem, które zostały zaproponowane do wykorzystania spektrum 3.1-10.6 GHz przydzielonej dla systemów UWB wykorzystuje ortogonalnym podziałem częstotliwości modulacji Multiplexin OFDM z 14 podzakresów cokolwiek zajmuje szerokość pasma 528 MHz i szybki schemat przeskoku częstotliwości [ 1]. W OFDM, podnośnych f requencies są prostopadłe do siebie. Sposób ten eliminuje przesłuch pomiędzy podkanałów oraz odpowiednio między nośnymi ochronne pasma, nie są konieczne. Mimo że standard nie został udoskonalony, front-end szerokopasmowego LNA jest to absolutnie konieczne, niezależnie od architektury odbiornika. Wzmacniacz musi spełniać kilka wymagań, na przykład do współpracy z filtrem preselekcji i anteny, impedancja wejściowa wzmacniacza powinna być zbliżona do 50 nad pożądanym paśmie UWB. Jednakże wystarczające zyski z szerokości pasma szerokiego na overtop odgłos miksera, niski współczynnik szumów, aby poprawić czułość odbiornika, niski pobór mocy, aby zwiększyć żywotność baterii, niewielki obszar matrycy w celu zmniejszenia kosztów, bezwarunkową stabilność i dobrą liniowość są ważnymi parametrami. Istnieje ścisły kompromis pomiędzy nimi. Generalnie poprzez poprawę jednego z nich, pozostali są zniszczone.

II. Stopień wejściowy
Common-brama i konfiguracje cascode są dwa rodzaje metod stosowanych zwykle do projektowania stopnia wejściowego LNA w obwodach CMOS, natomiast Common-Brama i cascode struktura zapewniają szerokie pasmo i wejście wąskopasmowe dopasowując odpowiednio. Jednakże etap Common-brama ma wewnętrznie wysoki współczynnik szumów w porównaniu etapie cascode i muszą być stosowane techniki redukcji szumów.
Jednak impedancja wejściowa jest ustalana przez odchylenie i stosunek W / L. W rzeczywistości ta struktura uwzględnia stopień swobody dla transkondukcyjności tranzystora, a także poprzez wybór odpowiedniego obciążenia (dobra kombinacja cewki i kondensatorów, biorąc pod uwagę wpływ pojemności pasożytniczej i ciała), zapewnia dostępne szerokopasmowe dopasowanie wejściowe. To obciążenie musi być proporcjonalne do r_ds1. Ponieważ GM zmienia, impedancja wejściowa i pasująca szerokość pasma są w przybliżeniu równe f_T urządzenia.
Pasożytnicze tranzystora pojemności C_gs zaczyna grać rolę, gdy częstotliwość pracy zaczyna rosnąć. W zastosowaniu pasma wąskiego, induktor bocznik jest dodawany w etapie wprowadzania w rezonans z C_gsto poprawić dopasowanie impedancji przy żądanej częstotliwości. Jednak w większości zastosowań wąskim paśmie CMOS, cascode LNA ze zwyrodnieniem indukcyjnego jest korzystne, ale do izolowania od wejścia do wyjścia i pominięto ścieżki C_gd, wspólna brama LNA działa lepiej odwrotnej izolację i trwałość w porównaniu Common Source LNA.

III. Circuit Design I ANALIZA
Proponowany LNA szerokości pasma jest pokazana na fig. 1. Składa się on z stopnia wejściowego i etapie wspólnego źródła. Tabela 1 przedstawia wartości projektowania proponowanego CMOS LNA. Off-Chip bias-T zapewnia nastawienie bramy z M_3 i bieżącą ścieżkę DC M_1. Seria cewka L_4 dalsze rezonuje z wejściem źródłowym BRAMY pojemności M_3, w wyniku większej przepustowości oraz resztki osiągając na odpowiedź częstotliwości [17]. Pasożytnicze pojemności od M_2

Figa. 1. Proponowane szerokopasmowego szumów LNA

TABELA I
WARTOŚCI projektowania proponowanego 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_ (obecnie,) 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
i M_3 dokonać strukturę drabiny LC z cewki L_0. DC rezystory obciążające R_1 i R_2 są połączone z shunt osiągając wzbudniki L_1 i L_2 odpowiednio rozszerzyć pasmo obwodu skutecznie [10]. Seria osiągając cewka L_2 również rezonować z całkowitej pojemności pasożytniczych C_d2 i C_d3 w drenażu M_2 i M_3. Od rezystora obciążenia, R_3, dodaje się do zmniejszenia współczynnika Q L_3 płaskiego korzyści. Minimalna długość kanału 0.18μm jest uważany za wszystkie tranzystory w proponowanym układzie, aby zminimalizować pasożytnicze pojemności i poprawy wyników częstotliwości. Etap wspólne źródło rozciąga się pasmo, zapewnia lepszą izolację i zwiększa przyrost częstotliwości. W rzeczywistości stopień wejściowy oraz wsparcie etapie wspólnego źródła zasilania wzmocnienie niskich częstotliwości i mocy wysokiej częstotliwości przyrost, odpowiednio. Połączenie obu odpowiedzi częstotliwościowych prowadzić do szerokopasmowego zdobyć władzę. Tranzystor M5 pomaga również wspólny etap źródłowego w celu zwiększenia i sprawne przyrost częstotliwości. Figa. 2 przedstawia wpływ M5 na parametr S21.

Figa. 2 Wpływ M5 parametru S21

Na fig. 3 skutki M1 jako stopień wejściowy są badane. Symulowana parametr NF i S11 jest porównywana w przypadku M1 jest wyłączony. Istnieje ścisły kompromis między NF i S11. Gdy M_1 jest włączony, NF jest zwiększona i parametr S21 zmniejsza się w tym samym straty mocy i podobne przepustowości, ale przeciwnie, można osiągnąć akceptowalne dopasowanie wejściowego. Extra stężenie powinno być podane do charakterystyki hałasu struktury Common-Gate w stopniu wejściowym, choć tranzystor M_1 zapewnia dopasowanie szerokości pasma, posiada wysoki współczynnik szumów samoistnie.

Figa. 3. Symulowane współczynnik szumów i izolacja wejście z M1 włączane i wyłączane.

W celu zbadania właściwości akustycznych, stosuje się model szumu tranzystor MOS z kanałem szumu cieplnego. Jak pokazano na Fig.4, zaniedbując bramy i migotania hałasy i zakładając idealne dopasowanie w tej analizie, PSD kanału szumu termicznego (i_ (n, d) ^ 2) ̅ jest podana jako
(I_ (n, d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do Af = 4KT γ / α g_m Af (1)
Gdzie jest stała Boltzmanna, jest temperaturą bezwzględną w kelwinach, γ jest współczynnikiem szumu cieplnego kanału tranzystora MOS, α jest definiowane jako stosunek transkonduktancji g_m do zerowego odchylenia przewodności drenu g_ds i jest szerokością pasma, w którym współczynnik szumów mierzy się odpowiednio.
Następujące równania opisują współczynnik szumów przez R_1, M_1, M_2 i M_3 że przyczyniają się one do postaci ogólnie hałasu [1]

Figa. 4. Zasada schemacie hałasu

Jeżeli warunek (2) ustala się hałas M_1 zostanie pominięty [1].

g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)

Następujące równania opisują współczynnik szumów przez R_1, M_2 i M_3, że przyczyni się do ogólnej współczynnik szumów.

F_R1 = (4KT 〖R_1 g_m2〗 ^ 2) / (KTR_s (g_m3 + R〗 〖g_m2 _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) / (R〗 〖g_m3 _s 〖(1 + R_s g_m1) 〗 ^ 2) (5)

Zatem całkowity współczynnik szumów może być przybliżona jako (6)

F_total = R_s / R_1 (1 + γ / α 1 / (g_m2 R_1)) + (4 γ / α) / (R〗 〖g_m3 _s 〖(1 + R_s g_m1)〗 ^ 2) (6)

WYNIK IV.SIMULATION
Układ został symulowane z biblioteki 0.18μm TSMC oprogramowania hspice. Wszystkie symulacje są wykonywane z uwzględnieniem gniazda wejściowe i wyjściowe 50Ω. W Fig.5 (a) zdobyć władzę i odwrócić izolacja LNA są symulowane. Średnia moc zysk wynosi około 14.5 dB przy tętnienia 0.7 dB w całym zakresie częstotliwości. Odwrotna izolacji jest mniejsza niż -35dB. Fig.5 (b) pokazuje izolację szumów, wejście i wyjście. NF poniżej 2.9 dB S11 jest mniejsza niż 14.8db i S22 jest w przybliżeniu mniejsza niż -10dB.

(B)
Figa. 5. (A) Symulowane moc wzmocnienia i odwrócić izolacji (b) izolacja figura Symulowane hałasu, izolacja wejście i wyjście

„Rys.6” przedstawia IIP3 obwodu w funkcji częstotliwości.

Figa. 7. Mierzona IIP3 funkcji częstotliwości

Wyniki tej pracy przedstawiono w „TABELI II” i porównano z niedawno opublikowanymi LNA CMOS.

TABELA 2 PERFORMANCE PODSUMOWANIE
VI. WNIOSEK
Przedstawiono nową konstrukcję struktury UWB LNA w oparciu o standardową technologię RFCMOS. Zadowalające dopasowanie wejścia i poziom szumów uzyskuje po dotyczących kompromisów pomiędzy impedancją wejściową etapie wspólnego-gate oraz jej. poziom szumów. Zmierzony współczynnik szumów jest mniejsza niż 2.9 dB nad 3.1-10.6 GHz. Płaska zysk Warto wspomnieć w całej konstrukcji LNA i symulowane przyrost mocy jest 14.5 ± 0.7 dB.

LITERATURA
[1] Chih-Fan Liao i Shen-Iuan Liu, „Szerokopasmowy system CMOS LNA z redukcją szumów dla odbiorników UWB 3.1–10.6 GHz” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 42, NIE. 2, LUTY 2007
[2] Kuang-Chi He, Ming-Tsung Li, Chen-Ming Li i Jenn-Hwan Tarng, wzmacniacz niskoszumowy sprzężenia zwrotnego równoległego RC do zastosowań UWB TRANSAKCJE IEEE NA OBWODACH I SYSTEMACH - II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 57, NIE. 8 sierpnia 2010
[3] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung i Chia-Min Chen ”An Inductor-Coupling
Wzmacniacz rezonansowy CMOS o niskim poziomie szumów dla systemu ultraszerokopasmowego 3.1–10.6 GHz ”© 2009 IEEE
[4] Yang Lu, Kiat Seng Yeo, Alper Cabuk, Jianguo Ma, Manh Anh Do i Zhenghao Lu ”Nowatorski projekt wzmacniacza niskoszumowego CMOS dla ultraszerokopasmowych odbiorników bezprzewodowych od 3.1 do 10.6 GHz” TRANSAKCJE IEEE WŁĄCZONE CIRCUITS AND SYSTEMS – I: REGULAR PAPERS, VOL. 53, NIE. 8, SIERPIEŃ 2006
[5] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari, Farshid Raissi „LNA LNA wielokrotnego użytku z prądem liniowym dla odbiorników UWB 1-10.6 GHz” IEICE Electronics Express, tom 5, nr 21,908-914
[6] S. Stroh, „Ultra-wideband: multimedia unplugged”, IEEE Spectrum, vol. 40, nie. 9, str. 23-27, wrzesień 2003.
[7] Vladimir Aparin i Lawrence E. Larson, Fellow, IEEE ”Modified Derivative Superposition Method for Linearizing FET Low-Noise Amplifiers” IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NIE. 2, LUTY 2005
[8] A. Batra i in., „Propozycja wielopasmowej warstwy fizycznej OFDM”, IEEE 802.15-03 / 267r5, lipiec 2003.
[9] Shih-Chih Chen, Ruey-Lue Wang, Hslang-Chen Kuo i Ming-Lung Kung Chang-Sing Gao ”Projekt pełnopasmowego (3.1–10.6 GHz) wzmacniacza niskoszumowego CMOS UWB z termiczną redukcją szumów”. konferencji Asia-Pacific Microwave Conference 2006.
[10] SS Mohan, MDM Hershenson, SP Boyd i TH Lee, „Rozszerzenie pasma w CMOS ze zoptymalizowanymi cewkami na chipie”, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, nie. 3, s. 346-355, marzec 2000.
[11] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung i Chia-Min Chen ”Wzmacniacz rezonansowy CMOS ze sprzężeniem indukcyjnym dla systemu ultraszerokopasmowego 3.1–10.6 GHz”
[12] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio ”A LINEARIZATION TECHNIQUE FOR LOWNOISE AMPLIFIER”
[13] Jianyun Hu, Yunliang Zhu i Hui Wu ”Ultraszerokopasmowy wzmacniacz rezystancyjny o niskim poziomie szumów z redukcją szumów
w cyfrowej matrycy CMOS 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 ze wzmocnieniem 11.4_0.4 dB i opóźnieniem grupowym 100.7_17.4 ps” ELECTRONICS LETTERS 22 listopada 2007 obj. 43 nr 24
[15] C.-P. Liang, C.-W. Huang, Y.-K. Lin i S.-J. Chung ”ultra-szerokopasmowy wzmacniacz o niskim poziomie szumów 3-10 GHz z nową techniką dopasowania” ELECTRONICS LETTERS 5 sierpnia 2010 Vol. 46 nr 16
[16] Hongrui Wang, Li Zhang i Zhiping Yu, Fellow, „Szerokopasmowy bezindukcyjny LNA z lokalnym sprzężeniem zwrotnym i redukcją szumów w aplikacjach niskonapięciowych o małej mocy” TRANSAKCJE IEEE NA OBWODACH I SYSTEMACH - I: PAPIERY REGULARNE, VOL. 57, NIE. 8 sierpnia 2010
[17] TH Lee, The Design of CMOS częstotliwości radiowej scalonych, 1st ed. New York: Cambridge Univ. Prasa, 1998.
[18] Chunyu Xin, Edgar S´anchez-Sinencio ”TECHNIKA LINIARYZACYJNA DLA WZMACNIACZA RF LOWNOISE” ISCAS 2004
[19] Ali Mirvakili, Mohammad Yavari „Konstrukcja CMOS LNA z redukcją szumów dla górnego pasma odbiorników UWB DS-CDMA”, 2009. ISCAS 2009. Międzynarodowe sympozjum IEEE on
[20] S. Galal i B. Razavi, „Wzmacniacz 40 Gb / s i obwód ochronny ESD w technologii 0.18 _mCMOS”, w IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, luty 2004, s. 480–481.

19 stycznia 2017 r.