по Интернету
Широкополосный LNA для СШП-приемников с использованием модифицированного метода деривации
ВВЕДЕНИЕ
Развитие систем высокоскоростной беспроводной связи делает все более востребованными интегрированные недорогие ВЧ-устройства с полосой пропускания в несколько ГГц, работающие при минимальном потреблении энергии и напряжении питания. Сверхширокополосный (IEEE 802.15.3a) появляется как новая технология, способная обеспечить высокую скорость передачи данных (до 1 Гбит / с) на короткие расстояния (10 м) при низкой мощности. Эта технология используется в некоторых приложениях, таких как беспроводные персональные сети (WPAN), обеспечивая среду для передачи аудио, видео и других данных с высокой пропускной способностью. Один из подходов, который был предложен для использования спектра 3.1–10.6 ГГц, выделенного для систем СШП, использует мультиплексирование с ортогональным частотным разделением в модуляции OFDM с 14 подполосами, в зависимости от того, какая из них занимает ширину полосы 528 МГц, и схему быстрой скачкообразной перестройки частоты [ 1]. В OFDM частоты поднесущих перпендикулярны друг другу. Этот метод устраняет перекрестные помехи между подканалами, и, соответственно, нет необходимости в защитных полосах между несущими. Хотя стандарт не был усовершенствован, входной широкополосный МШУ абсолютно необходим независимо от архитектуры приемника. Усилитель должен соответствовать нескольким требованиям, например, для взаимодействия с фильтром предварительной селекции и антенной входное сопротивление усилителя должно быть близко к 50 в требуемом диапазоне СШП. Однако важным параметром являются достаточное усиление с широкой полосой пропускания, превышающее шум смесителя, низкий коэффициент шума для повышения чувствительности приемника, низкое энергопотребление для увеличения срока службы батареи, малая площадь кристалла для снижения стоимости, безусловная стабильность и хорошая линейность. Между ними существует тесный компромисс. Обычно, улучшая один из них, другие разрушаются.
II. Входной этап
Конфигурации с общим затвором и каскодом - это два типа методов, обычно используемых для проектирования входного каскада LNA в схемах CMOS, в то время как структура с общим затвором и каскодом обеспечивает согласование входного сигнала широкополосного и узкополосного соответственно. Однако каскад с общим затвором имеет высокий коэффициент шума по сравнению с каскадом, и необходимо использовать методы шумоподавления.
Однако входное сопротивление задается смещением и соотношением W / L. Фактически, эта структура учитывает степень свободы для крутизны транзистора, а также путем выбора подходящей нагрузки (хорошее сочетание катушки индуктивности и конденсаторов с учетом влияния паразитной емкости и корпуса) обеспечивает доступное согласование широкополосного входа. Эта нагрузка должна быть пропорциональна r_ds1. Поскольку gm изменяется, входной импеданс и соответствующая полоса пропускания приблизительно равны f_T устройства.
Паразитная емкость транзистора C_gs начинает играть роль, когда рабочая частота начинает расти. В узкополосном приложении во входной каскад добавляется шунтирующая катушка индуктивности, чтобы резонировать с C_gst, чтобы улучшить согласование импеданса на желаемой частоте. Однако в большинстве узкополосных КМОП-приложений предпочтительнее каскодировать МШУ с индуктивным вырождением, но для изоляции от входа к выходу и исключения пути C_gd МШУ с общим затвором обеспечивает лучшую обратную изоляцию и стабильность по сравнению с МШУ с общим истоком.
III. КОНСТРУКЦИЯ И АНАЛИЗ ЦЕПИ
Предлагаемый широкополосный МШУ показан на рис. 1. Он состоит из входного каскада и каскада с общим источником. В таблице 1 показаны расчетные значения предлагаемого КМОП МШУ. Смещение T вне кристалла обеспечивает смещение затвора M_3 и путь постоянного тока M_1. Последовательная катушка индуктивности L_4 дополнительно резонирует с входной емкостью затвор-исток M_3, что приводит к более широкой полосе пропускания и некоторому остаточному пику на частотной характеристике [17]. Паразитные емкости M_2
Рис. 1. Предлагаемый МШУ с широкополосным шумоподавлением
ТАБЛИЦА I
КОНСТРУКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ КМОП МШУ
L_in 4nH (Вт / л) 3 135 / 0.18
L_0 0.5 нГн (Вт / л) 4 37.5 / 0.18
L_1 4.5 нГн (Вт / л) 5 45 / 0.18
L_2 2.5 нГн C_in, C_ (выход) C_3 2PF
L_3 0.9 нГн C_1, C_2 1PF
L_4 2.2 нГн R_1 290 Ом
L_5 0.8 нГн R_2 135 Ом
(Ш / Д) 1 18 / 0.18 R_3 40 Ом
(Ш / Д) 2 30 / 0.18
и M_3 составляют лестничную структуру LC с индуктором L_0. Нагрузочные резисторы постоянного тока R_1 и R_2 объединены с шунтирующими обостряющими индукторами L_1 и L_2 соответственно для эффективного расширения полосы пропускания схемы [10]. Последовательная обостряющая катушка индуктивности L_2 также резонирует с полными паразитными емкостями C_d2 и C_d3 на стоке M_2 и M_3. Поскольку нагрузочный резистор R_3 добавлен для уменьшения добротности L_3 для равномерного усиления. Минимальная длина канала 0.18 мкм рассматривается для всех транзисторов в предлагаемой схеме, чтобы минимизировать паразитные емкости и улучшить частотные характеристики. Каскад с общим источником расширяет полосу пропускания, обеспечивает лучшую изоляцию и увеличивает коэффициент усиления. Фактически, входной каскад и каскад с общим источником поддерживают усиление мощности на низких частотах и усиление мощности на высоких частотах соответственно. Комбинация обоих частотных характеристик приводит к широкополосному увеличению мощности. Транзистор M5 также помогает увеличить и сгладить усиление по частоте. На рис. 2 показано влияние M5 на параметр S21.
Рис.2 Влияние M5 на параметр S21
На рис. 3 исследуется влияние M1 как входного каскада. Моделируемый параметр NF и S11 сравнивается со случаем, когда M1 выключен. Между NF и S11 существует тесный компромисс. Когда M_1 включен, NF увеличивается, а параметр S21 уменьшается с той же рассеиваемой мощностью и аналогичной полосой пропускания, но, наоборот, будет достигнуто приемлемое входное согласование. Особое внимание следует уделить шумовым характеристикам структуры с общим затвором во входном каскаде, хотя транзистор M_1 обеспечивает широкополосное согласование, он имеет очень высокий коэффициент шума.
Рис. 3. Смоделированный коэффициент шума и изоляция входа при включенном и выключенном M1.
Для исследования шумовых характеристик используется модель шума МОП-транзистора с тепловым шумом канала. Как показано на рисунке 4, без учета шума затвора и мерцания и в предположении идеального совпадения в этом анализе, СПМ теплового шума канала (i_ (n, d) ^ 2) given задается как
(i_ (n, d) ^ 2) ̅ = 4KTγg_do ∆f = 4KT γ / α g_m ∆f (1)
Где - постоянная Больцмана, - абсолютная температура в Кельвинах, γ - коэффициент теплового шума канала МОП-транзистора, α определяется как отношение крутизны g_m и проводимости стока при нулевом смещении g_ds и является полосой пропускания, в которой коэффициент шума измеряется соответственно.
Следующие уравнения описывают коэффициент шума R_1, M_1, M_2 и M_3, который они вносят в общий коэффициент шума [1]
Рис. 4. Принцип шумовой схемы
Если условие (2) выполнено, шум M_1 опускается [1].
г_м2 R_1 = г_м3 R_s (2)
Следующие уравнения описывают коэффициент шума посредством R_1, M_2 и M_3, которые они вносят в общий коэффициент шума.
F_R1 = (4KT 〖R_1 г_м2〗 ^ 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)
Таким образом, общий коэффициент шума можно аппроксимировать как (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. РЕЗУЛЬТАТ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Схема была смоделирована с помощью программного обеспечения библиотеки TSMC 0.18 мкм Hspice. Все моделирование выполнено с учетом входных и выходных клемм 50 Ом. На рис.5 (а) смоделированы мощность усиления и обратная изоляция МШУ. Средняя мощность усиления составляет примерно 14.5 дБ с пульсацией 0.7 дБ в частотном диапазоне. Обратная изоляция менее -35 дБ. На Рис.5 (b) показаны коэффициент шума, изоляция входа и выхода. Коэффициент шума меньше 2.9 дБ, S11 меньше -14.8 дБ, а S22 примерно меньше -10 дБ.
(B)
Рис. 5. (a) Моделируемая мощность усиления и обратная изоляция (b) Расчетный коэффициент шума, изоляция входа и выхода
«Рис.6» показывает IIP3 цепи в зависимости от частоты.
Рис. 7. Измеренное значение IIP3 в зависимости от частоты.
Результаты этой работы показаны в «ТАБЛИЦЕ II» и сравниваются с недавно опубликованными КМОП МШУ.
ТАБЛИЦА 2 РЕЗЮМЕ
VI. ВЫВОД
В этой статье представлен новый дизайн структуры UWB LNA, основанный на стандартной технологии RFCMOS. Удовлетворительное согласование входа и шумовые характеристики достигаются после принятия компромисса между входным импедансом каскада с общим затвором и его. шумовые характеристики. Измеренный коэффициент шума составляет менее 2.9 дБ в диапазоне 3.1–10.6 ГГц. Во всех конструкциях МШУ стоит упомянуть плоское усиление, а смоделированное усиление мощности составляет 14.5 ± 0.7 дБ.
Ссылки
[1] Чжи-Фан Ляо, и Шен-Юань Лю, «Широкополосный МШУ CMOS с шумоподавлением для приемников СШП 3.1–10.6 ГГц» IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 42, НЕТ. 2 ФЕВРАЛЯ 2007 Г.
[2] Куанг-Чи Хе, Мин-Цунг Ли, Чен-Мин Ли и Джен-Хван Тарнг, Малошумящий усилитель с параллельной RC-связью для приложений СШП IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITES AND SYSTEMS – II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 57, НЕТ. 8 АВГУСТА 2010 г.
[3] Чжэ-Ян Хуанг, Че-Ченг Хуанг, Чун-Чи Чен, Чжун-Чи Хунг и Чиа-Мин Чен », индукторная связь
Резонирующий КМОП малошумящий усилитель для сверхширокополосной системы 3.1–10.6 ГГц »© 2009 IEEE
[4] Ян Лу, Киат Сенг Йео, Альпер Кабук, Цзянго Ма, Ман Ань До и Чжэнхао Лу «Новая конструкция малошумящего КМОП-усилителя для сверхширокополосных беспроводных приемников на 3.1–10.6 ГГц» IEEE TRANSACTIONS ON ЦЕПИ И СИСТЕМЫ – I: ОБЫЧНЫЕ ДОКУМЕНТЫ, ТОМ. 53, НЕТ. 8 АВГУСТА 2006 Г.
[5] Али Мирвакили, Мохаммад Явари, Фаршид Раисси «МШУ с линейным повторным использованием тока для приемников СШП диапазона 1–10.6 ГГц» IEICE Electronics Express, Том 5, № 21,908-914
[6] С. Стро, «Сверхширокополосный: мультимедиа отключена», IEEE Spectrum, vol. 40, нет. 9, стр. 23-27, сентябрь 2003 г.
[7] Владимир Апарин и Лоуренс Э. Ларсон, научный сотрудник, IEEE «Метод модифицированной производной суперпозиции для линеаризации малошумящих усилителей на полевых транзисторах» IEEE TRANSACTIONS ПО ТЕОРИИ И ТЕХНИКАМ МИКРОВОЛН, ТОМ. 53, НЕТ. 2 ФЕВРАЛЯ 2005 г.
[8] А. Батра и др., «Предложение многодиапазонного физического уровня OFDM», IEEE 802.15-03 / 267r5, июль 2003 г.
[9] Ши-Чи Чен, Руэй-Лю Ван, Хсланг-Чен Куо и Мин-Лунг Кунг Чанг-Синг Гао «Конструкция полнополосного (3.1-10.6 ГГц) CMOS UWB малошумящего усилителя с тепловым шумоподавлением» Азиатско-Тихоокеанской конференции по СВЧ 2006.
[10] SS Mohan, MDM Hershenson, SP Boyd и TH Lee, «Расширение полосы пропускания в CMOS с оптимизированными встроенными индукторами», IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, нет. 3, стр. 346-355, март 2000 г.
[11] Zhe-Yang Huang, Che-Cheng Huang, Chun-Chieh Chen, Chung-Chih Hung и Chia-Min Chen «Малошумящий КМОП-усилитель с индуктивной связью для сверхширокополосной системы 3.1–10.6 ГГц»
[12] Чунью Синь, Эдгар Санчес-Синенсио «МЕТОДИКА ЛИНЕАРИЗАЦИИ ДЛЯ ВЧ-НИЗКОШУМНОГО УСИЛИТЕЛЯ»
[13] Jianyun Hu, Yunliang Zhu и Hui Wu »- сверхширокополосный малошумящий усилитель с резистивной обратной связью и шумоподавлением.
в 0.18 мкм цифровой CMOS ”978-1-4244-1856-5 / 08 / 25.00 $ © 2008 IEEE
[14] Ж.-Х. Ли, К.-К. Чен и Ю.-С. Lin ”0.18 лм 3.1–10.6 ГГц CMOS UWB LNA с усилением 11.4_0.4 дБ и групповой задержкой 100.7_17.4 пс» ПИСЬМА ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ 22 ноября 2007 г. 43 No. 24
[15] К.-П. Лян, К.-В. Хуанг, Ю.-К. Лин и С.-Дж. Chung «Сверхширокополосный малошумящий усилитель 3–10 ГГц с новым методом согласования» ПИСЬМА ЭЛЕКТРОНИКИ 5 августа 2010 г. 46 No. 16
[16] Хунжуй Ван, Ли Чжан и Чжипин Ю, научный сотрудник, «Широкополосный безиндукторный МШУ с локальной обратной связью и шумоподавлением для маломощных низковольтных приложений» IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUTS AND SYSTEMS – I: REGULAR PAPERS, VOL. 57, НЕТ. 8 АВГУСТА 2010 г.
[17] Т.Х. Ли, Разработка радиочастотных интегральных схем КМОП, 1-е изд. Нью-Йорк: Cambridge Univ. Пресса, 1998.
[18] Чунью Синь, Эдгар Санчес-Синенсио «МЕТОДИКА ЛИНЕАРИЗАЦИИ ДЛЯ ВЧ НИЗКОШУМНОГО УСИЛИТЕЛЯ» ISCAS 2004
[19] Али Мирвакили, Мохаммад Явари «Конструкция КМОП МШУ с шумоподавлением для верхнего диапазона СШП приемников DS-CDMA», схем и систем, 2009. ISCAS 2009. Международный симпозиум IEEE по
[20] С. Галал и Б. Разави, «Усилитель 40 Гбит / с и схема защиты от электростатического разряда в технологии 0.18 _mCMOS», в IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, февраль 2004 г., стр. 480-481.