بلاگ

UWB ریسیورز کے لئے ایک براڈبینڈ LNA بار ترمیم استعمال کرتے ہوئے استخراجی superposition کے طریقہ

تعارف
تیز رفتار وائرلیس مواصلاتی نظام کی ترقی ملٹی گیج ہرٹز بینڈوڈتھ کے ساتھ مربوط کم لاگت والے RF ڈیوائسز کی بڑھتی ہوئی درخواست کو کم ترین بجلی کی کھپت اور سپلائی وولٹیج پر کام کرتی ہے۔ الٹرا وائیڈ بینڈ (IEEE 802.15.3a) ایک نئی ٹکنالوجی کے طور پر ظاہر ہوتا ہے جو کم بجلی پر کم فاصلے (1 میٹر) کے اندر اعلی ڈیٹا کی منتقلی کی شرح (10 Gb/s تک) کے قابل ہے۔ یہ ٹیکنالوجی کچھ ایپلی کیشنز جیسے وائرلیس پرسنل ایریا نیٹ ورکس (WPANs) کے لیے استعمال کرتی ہے ، جو آڈیو ، ویڈیو اور دیگر ہائی بینڈوڈتھ ڈیٹا کی ترسیل کے لیے ماحول فراہم کرتی ہے۔ UWB سسٹم کے لیے مختص کردہ 3.1-10.6-GHz کے سپیکٹرم کو استعمال کرنے کی تجویز پیش کی گئی ہے ، اس میں 14 ذیلی بینڈز کے ساتھ آرتھوگونل فریکوئنسی ڈویژن ملٹی پلیکسین OFDM ماڈیولیشن کا استعمال کیا گیا ہے جو 528 میگا ہرٹز بینڈ کی چوڑائی اور تیز فریکوئنسی ہاپنگ اسکیم [ 1]۔ OFDM میں ، ذیلی کیریئر f تقاضے ایک دوسرے کے لیے کھڑے ہوتے ہیں۔ یہ طریقہ سب چینلز کے مابین کراس ٹاک کو ختم کرتا ہے اور اس کے مطابق انٹر کیریئر گارڈ بینڈ ضروری نہیں ہیں۔ اگرچہ معیار مکمل نہیں کیا گیا ہے ، فرنٹ اینڈ وائیڈ بینڈ ایل این اے بالکل ضروری ہے چاہے وصول کنندہ کے فن تعمیر سے قطع نظر۔ یمپلیفائر کو کئی ضروریات کو پورا کرنا ہوگا ، مثال کے طور پر پری سلیکٹ فلٹر اور اینٹینا کے ساتھ انٹرفیس کرنے کے لیے ، ایمپلیفائر ان پٹ مائبادا مطلوبہ یو ڈبلیو بی بینڈ پر 50 کے قریب ہونا چاہیے۔ تاہم ایک مکسر کے شور پر قابو پانے کے لیے وسیع بینڈ کی چوڑائی کے ساتھ کافی فائدہ ، وصول کنندہ کی حساسیت کو بہتر بنانے کے لیے کم شور کا اعداد و شمار ، بیٹری کی زندگی کو بڑھانے کے لیے کم بجلی کی کھپت ، لاگت کو کم کرنے کے لیے چھوٹے ڈائی ایریا ، غیر مشروط استحکام اور اچھی لکیریٹی اہم پیرامیٹرز ہیں۔ ان کے درمیان ایک قریبی تجارت ہے۔ عام طور پر ان میں سے ایک کو بہتر بنانے سے ، دوسرے برباد ہو جاتے ہیں۔

II۔ ان پٹ مرحلہ۔
کامن گیٹ اور کاسکوڈ کنفیگریشن دو طرح کے طریقے ہیں جو عام طور پر سی ایم او ایس سرکٹس میں ایل این اے کے ان پٹ سٹیج کو ڈیزائن کرنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں ، جبکہ کامن گیٹ اور کاسکوڈ ڈھانچہ بالترتیب ایک وسیع بینڈ اور تنگ بینڈ ان پٹ مماثلت فراہم کرتا ہے۔ تاہم کامن گیٹ سٹیج کا اندرونی طور پر زیادہ شور کا فیکٹر بمقابلہ کاسکوڈ اسٹیج ہے اور شور منسوخ کرنے کی تکنیک کا استعمال کرنا ضروری ہے۔
تاہم ان پٹ رکاوٹ تعصب اور ڈبلیو/ایل تناسب سے طے کی گئی ہے۔ درحقیقت یہ ڈھانچہ ٹرانجسٹر کی نقل و حمل کے لیے آزادی کی ڈگری سمجھتا ہے اور مناسب بوجھ (پرجیوی کیپسیٹنس اور جسم کے اثر پر غور کرتے ہوئے انڈکٹر اور کیپسیٹرز کا ایک اچھا مجموعہ) کا انتخاب کرکے ، ایک دستیاب براڈ بینڈ ان پٹ ملاپ فراہم کرتا ہے۔ یہ بوجھ r_ds1 کے متناسب ہونا چاہیے۔ چونکہ جی ایم تبدیل ہوتا ہے ، ان پٹ کی رکاوٹ اور مماثل بینڈوتھ تقریبا approximately آلہ کے f_T کے برابر ہوتی ہے۔
جب آپریٹنگ فریکوئنسی بڑھنا شروع ہوتی ہے تو پرجیوی ٹرانجسٹر کیپسیٹنس C_gs کردار ادا کرنا شروع کردیتا ہے۔ تنگ بینڈ ایپلی کیشن میں ، ان پٹ مرحلے میں ایک شنٹ انڈکٹر شامل کیا جاتا ہے تاکہ مطلوبہ فریکوئنسی پر سی_گسٹو بڑھانے والی رکاوٹ مماثلت کو بڑھایا جا سکے۔ تاہم زیادہ تر سی ایم او ایس تنگ بینڈ ایپلی کیشنز میں ، کاسکوڈ ایل این اے ترجیحی تنزلی کے ساتھ افضل ہے لیکن ان پٹ سے آؤٹ پٹ اور سی_ جی ڈی راستے کو چھوڑنے کے لیے ، کامن گیٹ ایل این اے کامن سورس ایل این اے کے مقابلے میں بہتر ریورس تنہائی اور استحکام کا مظاہرہ کرتا ہے۔

III۔ سرکٹ ڈیزائن اور تجزیہ
مجوزہ وسیع بینڈ LNA تصویر 1 میں دکھایا گیا ہے۔ ٹیبل 1 مجوزہ CMOS LNA کی ڈیزائن اقدار کو ظاہر کرتا ہے۔ ایک آف چپ تعصب-ٹی M_3 کا گیٹ تعصب اور M_1 کا DC موجودہ راستہ فراہم کرتا ہے۔ سیریز انڈکٹر L_4 مزید M_3 کے ان پٹ گیٹ سورس کیپسیٹنس کے ساتھ گونجتا ہے ، جس کے نتیجے میں ایک بڑی بینڈوڈتھ ہوتی ہے اور فریکوئنسی رسپانس پر کچھ بقایا چوٹی [17]۔ M_2 کی پرجیوی صلاحیت۔

تصویر 1. مجوزہ براڈ بینڈ شور منسوخ کرنے والا ایل این اے۔

ٹیبل I
تجویز کردہ CMOS LNA کے ڈیزائن کی قیمتیں۔
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_ (باہر ،) 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۔
اور M_3 انڈیکٹر L_0 کے ساتھ LC سیڑھی کا ڈھانچہ بناتا ہے۔ سرکٹ بینڈوڈتھ کو مؤثر طریقے سے بڑھانے کے لیے ڈی سی لوڈ ریزسٹرس R_1 اور R_2 کو بالترتیب شنٹ چوٹی انڈیکٹرز L_1 اور L_2 کے ساتھ ملایا جاتا ہے [10]۔ سیریز کی چوٹی انڈکٹر L_2 بھی M_2 اور M_3 کے نالے پر کل پرجیوی capacitances C_d2 اور C_d3 کے ساتھ گونجتی ہے۔ چونکہ لوڈ ریزسٹر ، R_3 ، فلیٹ گین کے لیے L_3 کے Q عنصر کو کم کرنے کے لیے شامل کیا جاتا ہے۔ کم از کم چینل کی لمبائی 0.18μm مجوزہ سرکٹ کے تمام ٹرانجسٹروں کے لیے سمجھی جاتی ہے تاکہ پرجیوی صلاحیت کو کم کیا جاسکے اور تعدد کی کارکردگی کو بہتر بنایا جاسکے۔ کامن سورس اسٹیج بینڈوتھ کو بڑھا دیتا ہے ، بہتر تنہائی فراہم کرتا ہے اور فریکوئنسی گین میں اضافہ کرتا ہے۔ در حقیقت ان پٹ اسٹیج اور کامن سورس اسٹیج بالترتیب کم فریکوئنسی پاور گین اور ہائی فریکوئنسی پاور گین کی حمایت کرتے ہیں۔ دونوں فریکوئینسی جوابات کا مجموعہ براڈ بینڈ پاور حاصل کرنے کا باعث بنتا ہے۔ ٹرانجسٹر M5 عام سورس مرحلے کو بڑھانے اور فریکوئنسی میں اضافے میں مدد کرتا ہے۔ تصویر 2 S5 پیرامیٹر پر M21 کا اثر دکھاتا ہے۔

تصویر 2 S5 پیرامیٹر پر M21 کا اثر۔

تصویر 3 میں ان پٹ مرحلے کے طور پر M1 کے اثرات کی چھان بین کی گئی ہے۔ نقلی NF اور S11 پیرامیٹر کا موازنہ M1 کے کیس سے کیا گیا ہے۔ NF اور S11 کے درمیان قریبی تجارت ہے۔ جب M_1 کو آن کیا جاتا ہے تو ، NF بڑھا دیا جاتا ہے اور S21 پیرامیٹر کو اسی بجلی کی کھپت اور اسی طرح کی بینڈوڈتھ کے ساتھ کم کیا جاتا ہے ، لیکن اس کے برعکس ایک قابل قبول ان پٹ مماثلت حاصل کی جائے گی۔ ان پٹ مرحلے میں کامن گیٹ ڈھانچے کی شور کی خصوصیات پر اضافی حراستی دی جانی چاہیے ، حالانکہ ٹرانجسٹر M_1 ایک وسیع بینڈ مماثلت فراہم کرتا ہے ، اس میں اندرونی طور پر زیادہ شور کی شکل ہوتی ہے۔

تصویر 3.

شور کی کارکردگی کی تحقیقات کے لیے ، چینل تھرمل شور کے ساتھ MOS ٹرانجسٹر شور ماڈل استعمال کیا جاتا ہے۔ جیسا کہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے ، گیٹ اور ٹمٹماہٹ شور کو نظر انداز کرنا اور اس تجزیے میں ایک کامل میچ فرض کرتے ہوئے ، چینل تھرمل شور (i_ (n ، d)^2) PS کا PSD بطور دیا گیا ہے
(i_ (n ، d)^2) ̅ = 4KTγg_do ∆f = 4KT γ/α g_m ∆f (1)
بولٹزمان کہاں ہے ، کیلون میں مطلق درجہ حرارت ہے ، channel چینل کے تھرمل شور کا MOS ٹرانجسٹر کا گتانک ہے ، the کو ٹرانس کنڈکٹنس g_mand اور صفر تعصب ڈرین کنڈکٹنس g_ds کے تناسب سے تعبیر کیا جاتا ہے اور یہ بینڈوڈتھ ہے جس پر شور کا اعداد و شمار بالترتیب ماپا جاتا ہے۔
درج ذیل مساوات R_1 ، M_1 ، M_2 اور M_3 کی طرف سے شور کے اعداد و شمار کو بیان کرتی ہیں کہ وہ مجموعی طور پر شور کے اعداد و شمار میں شراکت کرتے ہیں [1]

تصویر 4. شور منصوبہ بندی کے اصول

اگر حالت (2) قائم ہو جائے تو M_1 کا شور خارج ہو جاتا ہے [1]۔

g_m2 R_1 = g_m3 R_s (2)

درج ذیل مساوات R_1 ، M_2 اور M_3 کی طرف سے شور کے اعداد و شمار کو بیان کرتی ہیں کہ وہ مجموعی شور کے اعداد و شمار میں شراکت کرتے ہیں۔

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)

اس طرح ، شور کی کل تعداد کا اندازہ لگایا جا سکتا ہے (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۔ تخروپن کا نتیجہ
سرکٹ کو 0.18μm TSMC لائبریری Hspice سافٹ ویئر کے ساتھ تیار کیا گیا تھا۔ تمام تخروپن 50Ω ان پٹ اور آؤٹ پٹ ٹرمینلز پر غور کرتے ہوئے کیے جاتے ہیں۔ تصویر 5 میں (الف) طاقت حاصل کریں اور ایل این اے کی الٹ تنہائی کی نقالی کی گئی ہے۔ اوسط فائدہ کی طاقت تقریبا 14.5 ڈی بی ہے جس میں 0.7 ڈی بی لہر فریکوئنسی رینج کے ساتھ ہے۔ ریورس تنہائی -35dB سے کم ہے۔ تصویر 5 (b) شور کے اعداد و شمار ، ان پٹ اور آؤٹ پٹ تنہائی کو ظاہر کرتا ہے۔ NF 2.9 dB سے کم ہے ، S11 -14.8db سے کم ہے اور S22 -10dB سے کم ہے۔

(ب)
تصویر 5۔

"شکل 6" تعدد کے مقابلے میں سرکٹ کا IIP3 دکھاتا ہے۔

انجیر 7. IIP3 بمقابلہ تعدد۔

اس کام کے نتائج "ٹیبل II" میں دکھائے گئے ہیں اور ان کا موازنہ حال ہی میں شائع ہونے والے CMOS LNAs سے کیا گیا ہے۔

ٹیبل 2 پرفارمنس کا خلاصہ
VI نتیجہ
یہ مقالہ ایک معیاری RFCMOS ٹیکنالوجی پر مبنی UWB LNA ڈھانچے کا نیا ڈیزائن پیش کرتا ہے۔ کامن گیٹ اسٹیج اور اس کے ان پٹ مائبادا کے درمیان تجارتی تعلقات کے حوالے سے تسلی بخش ان پٹ میچنگ اور شور کی کارکردگی حاصل کی جاتی ہے۔ شور کی کارکردگی پیمائش شدہ شور کا اعداد 2.9-3.1-GHz پر 10.6 dB سے کم ہے۔ تمام ایل این اے ڈیزائن میں فلیٹ گین قابل ذکر ہے اور نقلی طاقت کا فائدہ 14.5 ± 0.7 ڈی بی ہے۔

حوالہ جات
[1] چی-فان لیاؤ ، اور شین-ایوان لیو ، "3.1-10.6 گیگا ہرٹز یو ڈبلیو بی وصول کنندگان کے لیے سی ایم او ایس ایل این اے منسوخ کرنے والا براڈ بینڈ شور" آئی ای ای ای جرنل آف سولڈ اسٹیٹ سرکٹس ، وول۔ 42 ، نہیں۔ 2 ، فروری 2007۔
[2] کوانگ چی ہی ، منگ-سونگ لی ، چن-منگ لی ، اور جین-ہوان ٹارنگ ، متوازی-آر سی تاثرات کم شور امپلیفائر برائے یو ڈبلیو بی ایپلی کیشنز IEEE ٹرانزیکشنز سرکٹس اور سسٹمز – II: EXPRESS BRIEFS ، VOL۔ 57 ، نہیں۔ 8 ، اگست 2010۔
[3] ژے یانگ ہوانگ ، چی چینگ ہوانگ ، چون چی چن ، چنگ چی ہنگ اور چیا من چن ”ایک انڈکٹر جوڑا
3.1-10.6GHz الٹرا وائیڈ بینڈ سسٹم کے لیے گونجنے والا CMOS کم شور یمپلیفائر ”2009 IEEE
[4] یانگ لو ، کیٹ سینگ ییو ، الپر کابوک ، جیانگو ما ، مانہ آن ڈو ، اور زینگھاؤ لو "3.1 سے 10.6 گیگا ہرٹز الٹرا وائیڈ بینڈ وائرلیس وصول کنندگان کے لیے ایک ناول CMOS کم شور یمپلیفائر ڈیزائن" IEEE ٹرانزیکشن آن سرکٹس اور نظام – I: ریگولر پیپرز ، وول۔ 53 ، نہیں۔ 8 ، اگست 2006۔
[5] علی میرواکیلی ، محمد یاوری ، فرشید ریسی "1-10.6 گیگا ہرٹز یو ڈبلیو بی وصول کنندگان کے لیے ایک لکیری کرنٹ دوبارہ استعمال شدہ ایل این اے" آئی ای سی ای الیکٹرانکس ایکسپریس ، وول 5 ، نمبر 21,908،914-XNUMX
[6] ایس سٹروہ ، "الٹرا وائیڈ بینڈ: ملٹی میڈیا ان پلگڈ ،" IEEE سپیکٹرم ، جلد۔ 40 ، نہیں 9 ، پی پی 23-27 ، ستمبر 2003۔
[7] ولادیمیر اپارین اور لارنس ای لارسن ، فیلو ، آئی ای ای ای "ایف ای ٹی کم شور ایمپلیفائرز کو لکیریائز کرنے کے لیے ماورائیوڈ ڈیریویٹو سپر پوزیشن طریقہ" مائیکرو ویو تھیوری اور ٹیکنالوجی ، آئی او ای پر ٹرانزیکشنز۔ 53 ، نہیں۔ 2 ، فروری 2005۔
[8] A. بٹرا ایٹ ال ، "ملٹی بینڈ OFDM فزیکل لیئر پروپوزل ،" IEEE 802.15-03/267r5 ، جولائی 2003۔
[9] شی-چہ چن ، روئی-لیو وانگ ، ہسلانگ-چن کوو اور منگ-لونگ کنگ چانگ-سنگ گاؤ "تھرمل شور منسوخ کرنے کے ساتھ مکمل بینڈ (3.1-10.6GHZ) CMOS UWB کم شور یمپلیفائر کا ڈیزائن" کاروائی ایشیا پیسیفک مائیکروویو کانفرنس 2006
[10] ایس ایس موہن ، ایم ڈی ایم ہرشنسن ، ایس پی بوائڈ ، اور ٹی ایچ لی ، "سی ایم او ایس میں بینڈوتھ توسیع بشمول آن-چپ انڈیکٹرز ،" آئی ای ای جے جے سالڈ اسٹیٹ سرکٹس ، جلد۔ 35 ، نہیں۔ 3 ، پی پی 346-355 ، مارچ 2000۔
[11] Zhe-Yang Huang ، Che-Cheng Huang ، Chun-Chieh Chen ، Chung-Chih Hung اور Chia-Min Chen "ایک انڈکٹر-کپلنگ نے CMOS کم شور یمپلیفائر کو 3.1-10.6GHz الٹرا وائیڈ بینڈ سسٹم کے لیے گونج دیا"
[12] Chunyu Xin ، Edgar S´anchez-Sinencio "RL LOWNOISE AMPLIFIER کے لیے ایک خطاطی کی ٹیکنالوجی"
[13] جیان یون ہو ، یون لیانگ ژو ، اور ہو وو ”ایک الٹرا وائیڈ بینڈ مزاحمتی تاثرات کم شور امپلیفائر شور منسوخی کے ساتھ
0.18μm ڈیجیٹل CMOS میں "978-1-4244-1856-5/08/$ 25.00 © 2008 IEEE
[14] جے- ایچ لی ، سی۔ چن اور Y.-S. لن ”0.18 ایل ایم 3.1-10.6 گیگا ہرٹز سی ایم او ایس یو ڈبلیو بی ایل این اے 11.4_0.4 ڈی بی گین اور 100.7_17.4 پی ایس گروپ ڈیل کے ساتھ” الیکٹرانکس لیٹرز 22 نومبر 2007 والیوم۔ 43 نمبر 24۔
[15] C.-P. لیانگ ، سی۔ ڈبلیو۔ ہوانگ ، Y.-K. لن اور ایس۔ چنگ "3-10 گیگا ہرٹز الٹرا وائیڈ بینڈ کم شور والا یمپلیفائر نئی مماثل تکنیک کے ساتھ" الیکٹرانکس لیٹرز 5 اگست 2010 والیوم۔ 46 نمبر 16۔
[16] ہونگروئی وانگ ، لی ژانگ ، اور ژیپنگ یو ، فیلو ، "ایک وائیڈ بینڈ انڈکٹر لیس ایل این اے جس میں لوکل فیڈ بیک اور شور کم منطقی کم وولٹیج ایپلی کیشنز کے لیے منسوخ کیا جاتا ہے" IEEE ٹرانزیکشنز سرکٹس اور سسٹمز – I: ریگولر پیپرز ، وول۔ 57 ، نہیں۔ 8 ، اگست 2010۔
[17] ٹی ایچ لی ، سی ایم او ایس ریڈیو فریکوئنسی انٹیگریٹڈ سرکٹس کا ڈیزائن ، پہلا ایڈیشن۔ نیو یارک: کیمبرج یونیورسٹی پریس ، 1۔
[18] Chunyu Xin ، Edgar S´anchez-Sinencio ”RL LOWNOISE AMPLIFIER کے لیے ایک خطاطی کی ٹیکنالوجی” ISCAS 2004
[19] علی میرواکیلی ، محمد یاوری "UWB DS-CDMA وصول کنندگان کے بالائی بینڈ کے لیے ایک شور منسوخ CMOS LNA ڈیزائن" سرکٹس اور سسٹمز ، 2009. ISCAS 2009. IEEE بین الاقوامی سمپوزیم
[20] ایس گلال اور بی رزاوی ، "40 Gb/s یمپلیفائر اور ESD تحفظ سرکٹ 0.18 _mCMOS ٹیکنالوجی میں ،" IEEE ISSCC Dig میں۔ ٹیک۔ پیپرز ، فروری 2004 ، پی پی 480-481۔

جنوری۳۱، ۲۰۱۹