关键字 |
| 金属氧化物半导体,低噪声放大器,增益,噪声图,IIP3。 |
介绍 |
| 低噪声放大器是一种电子放大器用来放大可能弱信号(例如,被天线)。它通常位于非常接近检测设备给水管路,以减少损失。采用射频接收机的整体性能起着至关重要的作用,它是第一个组件在任何射频接收机,它可以使用金属氧化物半导体放大器实现[6]。 |
| 低噪声放大器设计使用180 nm射频MOS无线个域网技术的发展。无线个域网用于高层通信协议用于创建个人区域网络由小型、低功耗数字收音机。无线个域网是基于IEEE 802.15标准。无线个域网设备可以长距离传输数据通过数据通过中间设备达到更遥远,创建一个网状网络。无线个域网通信可以发生在三个乐队868 - 868.8 - 2.4 MHz或902 - 928 MHz或-2.4834 ghz。这个设计主要集中在2.4 GHz乐队因为全球操作发生在这个乐队。放大器的噪声图直接增加了接收机。对于一个典型的接收机噪声图6到8分贝,预计天线开关或双工器的贡献约0.5到1.5 db, LNA约2到3 db,其余链大约2.5到3.5分贝。而这些价值观在接收机设计提供一个很好的起点,噪声的具体分区是灵活的,取决于链中的每一个阶段的性能[6]。放大器是为了提供一个50欧姆输入电阻;这个要求限制放大器拓扑的选择。 We cannot begin with an arbitrary configuration, design it for a certain noise figure and gain and then decide to create input matching. |
二世。文献调查 |
| Md.Asif Mahmood Chowdhury et al,设计“低噪声放大器电路中心频率高、超宽的带宽”使用IBM 90纳米CMOS工艺在设计电路[1]。中心频率的放大器电路是18.3 ghz。中心频率增益为14.38 db。5.7 GHz的3 db带宽放大器电路。它可以操作从14.2 ghz 19.9 ghz左右相当高的增益。CS-CS共源共栅放大器拓扑用于设计阶段。HSPICE这个放大器的性能验证。这个放大器电路所需要的电源电压为1.4 v。 |
| Kai-Wei Ku和Chien-Chang黄,提出“无线通信的低功率放大器”的低功耗CMOS放大器工作在2.4 ghz无线通信提出了设计,采用台积电180纳米技术[2]。当前重用体系结构是适应减少消耗电流,当电源电压设置为0.6 v,以满足低电压要求。为了简化偏置网络设计低压下操作,NMOS和PMOS设备利用三级配置提高获得性能。这个设计为17.7 db的增益实现噪声指数为3.9 db和-17年IIP3 dbm。 |
| 主机Kaamouchi,硕士穆萨,提出“一个2.4 ghz完全集成ESD-protected放大器在130纳米CMOS技术”。综述和分析一个完全集成雷竞技苹果下载静电放电(ESD)保护使用共源共栅放大器低电力和窄带应用程序归纳源退化拓扑,在130 nm设计和制造CMOS绝缘体技术[4]。设计放大器显示13分贝功率增益为2.4 GHz的噪声图3.6 dB和输入回波损耗的-13分贝6.5兆瓦的电力消耗。 |
| A .诉,c . c .恩等,提出了“子阈值为超低功率放大器优化应用程序在ISM乐队”。内部IEEE 802.15.4标准提供服务放松要求接收机前端使子阈值操作一个可行的解决方案。讨论了规范和指导方针提出了小面积超低功耗设计。子阈值偏置放大器设计和制造2.4 - ghz内部IEEE 802.15.4标准提供服务使用一个标准的低成本180海里射频CMOS工艺[5]。单级放大器可以节省芯片面积使用只有一个电感器。这个设计实现增益为21.4 db,噪声图-11年为5.2 db和IIP3 dbm。 |
三世。放大器的要求 |
| 放大器应该提供足够的增益减少噪声贡献后从另一块。获得不应太高,因为放大器稳定性由于不可避免的寄生反馈循环。另一个原因是高线性需求强加在成功块,特别是下变频混频器。放大器应提供适当的终止天线阻抗匹配,以确保最大功率传输,避免反射antenna-LNA接口[7]。放大器应该足够线性,这样产生的互调产品的大型接口不降解所需的微弱信号。放大器应该提供足够的反向隔离减少本地振荡器泄漏从搅拌到天线,因为泄露的本地振荡器信号被移动物体反射,接收的天线,与本地振荡器的混合搅拌机并创建时变混频器输出直流偏置。在2.4 GHz无线个域网应用程序操作放大器应该提供比15分贝增益和噪声指数-10年5 db和IIP3 dbm或9 dbm [5]。 |
答:放大器的增益 |
| 增益放大器的能力增加电源或信号从输入到输出的振幅增加能量信号从一些电源转换。它通常被定义为系统的信号输出的平均比率相同的信号输入系统。通常是表示使用对数分贝(dB)单位(“分贝增益”)。增益大于1(零分贝),也就是说,一个放大器的放大,是定义属性。放大器的电压增益表示为:20日志(输出电压/文)dB。 |
b .噪声图 |
| 噪声图(NF)和噪声系数测量信噪比(信噪比)的降解,放大器造成的射频(RF)信号链。它是一个数字,可以指定一个放大器的性能。噪声因素因此实际输出噪声比,仍将是如果设备本身不引入噪声,或输入信噪比的比例输出信噪比。系统的噪声系数F的定义是:F = (SNRin / SNRout), SNRin和SNRout输入和输出信噪比,分别。信噪比数量的比例。 |
| 噪声图NF的定义是:NF = 10日志(F)。 |
c . IIPn(输入称为n阶拦截点) |
| 互调的调幅信号,其中包含两个或两个以上的不同频率和非线性系统中。互调失真的特点是由于n阶互调分量的比值的基本组件。另一个测量相关的互调输入被称为n阶拦截点(IIPn)。IIPn指标好等电子设备的线性放大器、射频搅拌机或功率放大器。集成放大器等功能可以由线性度最高。设计的目的是获得最高IIP不牺牲当前的消费,增加,和大小。实际上描述IIPn订单5可能是巨大的。今天,但是订单3主导当描述敏感设备的正常运行。 |
| 非线性放大器通常与一个幂级数建模: |
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| 对于一个纯粹的线性函数Ai > 1 = 0。例如,Y(线性)= A0 + A1X。不幸的是这是不完全如此,X2、X3、X4等存在。这大小取决于实力的A2、A3、A4等等,他们负责偏差的传递函数A远离理想的,完美的,比例法。 |
| 假设x (t)是一个正弦波信号x (t) = cos(ω。t +Φ),表示x (t)欧拉形式的二阶谐波ωa +ωbωa-ωb可以很容易地通过一个低通滤波器,但它并非易事(甚至不可能)删除(IM3) 2ωa-ωb和2ωb-ωa条款,因为他们是嵌入到有用的乐队。这正是为什么在射频三阶条件都至关重要,必须知道,测量,最小的信号链。 |
四、放大器架构的选择 |
| 噪声图,输入拦截点和获得构成原则目标LNA设计[6]。 |
| 放大器拓扑: |
| 1。常见的来源与电感负载。 |
| 2。共源共栅级放大器与电感负载。 |
一个。常见的来源与电感负载 |
| 同源性疾病(CS)放大器可能被视为一种trans-conductance放大器或电压放大器。trans-conductance放大器,输入电压被认为是调节当前的负载。电压放大器,输入电压调节电流流经MOSFET的数量。 |
| 常见的电感负载时我们可以调整放大器的特定频率不同负载电感L .通过保持L在7 nh和C2 0.6 pf电路调谐频率为2.427 ghz实际上,这是非常适合无线个域网的应用程序。 |
| 设计值:VDD = 1.5 v, R1 = 100 KHz, R2 = 50 KHz, L = 7 nh, C1 = 0.1 uf, C2 = 0.6 pf, W / L = 17。 |
| 理论上调谐频率:¯害怕害怕一个½¯½= 1/2A¯害怕一个½¯害怕一个½√¯一个害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½= 2.455 ghz。 |
b阶段共源共栅放大器与电感负载 |
| 共源共栅放大器构造使用两个MOSFET的阶段,一个操作CG CS和其他操作。在这个电路基本概念结合取得的高输入电阻和大Trans-conductance CS放大器和优越的高CG放大器的频率响应。共源共栅放大器可用于设计阶段更大带宽、大输出阻抗和电压摆幅大但相等的直流增益比CS放大器与电感负载。使用该电路的主要优点是它不需要外部的偏见,在此采用电流镜用于偏压MOSFET M1。电流镜是一个电流放大器。参考的一面镜子产生偏差为共源共栅场效应管的电压输出端。 |
| 设计值:VDD = 1.3 v, R1 = 50 khz, R2 = 50 khz, L = 8.4 nh, C1 = 0.1 uf, C2 = 0.5 pf, I = 1 ma (W / L) 1 = 33岁(W / L) 2 = 16, 3 = 22 (W / L)。 |
| 本设计通过保持在8.4 L nh和C2 0.5 pf电路调谐频率为2.449 ghz实际上,这是非常适合无线个域网的应用程序。理论上调谐频率:¯害怕害怕一个½¯½= 1/2A¯害怕一个½¯害怕一个½√¯一个害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½= 2.455 ghz。 |
诉仿真结果 |
| 用HSPICE模拟完成设计不同电感值和频率和增益是观察到的情节,噪音图和IIP3计算的设计。 |
| a .频率和增益的情节电感加载CS LNA调谐在2.427 ghz。 |
| 频率和增益的电感加载常见LNA调为2.427 ghz图4所示。这个设计实现增益为21.89 db, -14.63 dbm和噪声系数的IIP3 1 db。最重要的事情在这个设计放大器是无线个域网调优操作乐队。 |
| b .频率和增益的情节与电感负载调整2.449 ghz共源共栅放大器。 |
| 频率和增益的共源共栅放大器与电感负载调优在2.449 ghz图5所示。这个设计达到一个更高的增益比常见的感应负载放大器。仿真结果表明,该电路实现了增益为34.6 db, IIP3 -10.6 dbm,噪声系数为4.3 db。 |
六。结论 |
| 本文设计的放大器工作在2.449 ghz利用MOS 49 180纳米铝电解技术水平。的共源共栅电流镜结构调整以减少所需的偏置电压偏差场效应管,实现更大的带宽和直流增益而带宽增益积不变相比CS阶段。共源共栅级放大器在2.449 ghz展览一个大电感负载增益约34.6 db和噪声指数为4.3 db的IIP3 -10.6 dbm,这非常适合无线个域网的应用程序。 |
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表乍一看 |
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| 表1 |
表2 |
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数据乍一看 |
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引用 |
- Md.Asif Mahmood Chowdhury和Prasenjit Chowdhury”设计的超宽频放大器电路中心频率高,低powerconsumption”316 - 319年IEEE 2013页。
- Kai-Wei Ku和Chien-Chang黄,“无线通信的低功耗CMOS LNA IEEE 2012 - 22页。
- m·西米诺h . Lapuyade y德瓦尔,t·塔里和jb Begueret,“设计0.9 v 2.45 ghz self-testable和reliability-enhanced CMOSLNA,“IEEE j .固态电路43卷,第1194 - 1187页。2008年5月。
- m . e . Kaamouchi m . s。穆萨”,一个2.4 ghz完全集成ESD-protected LNA 130纳米CMOS技术、“IEEE反式。MicrowaveTheory科技,55卷,第2831 - 2822页,2007年12月。
- 诉,c . c .恩,m, k . S Yeo)和A . Cabuk。“子阈值采用优化ISMband超低功率应用,“IEEE反式。微波理论技术,vol.56,第292 - 286页,2008年2月。
- 哈签署“射频微电子”,第五章“低噪声放大器”。259 - 334页。
- 哈签署“模拟cmos集成电路设计”。16 2002年再版,塔塔Mcgraw - hill版2002
- Sungho李Hangue公园Jaejun LEE Sangwook不结盟运动,7“2.3 GHz CMOS高增益放大器使用CS-CS共源共栅withCoupling C”IEICE反式。电子。,VOL.E92-C,不。2009年8月8日。
- B。哈扎维et al .,“超宽频CMOS收发器”,IEEE固态电路,杂志卷。40岁,pp.2555 - 2562,这里。
- B。哈,“认知无线电和技术挑战,”IEEE固态电路,杂志。45卷,第1553 - 1542页,Aug.2010。
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