نوع فایل: word
قابل ویرایش 150 صفحه
چکیده:
در این پایان نامه یک مدار LNA با قابلیت پیکربندی مجدد برای استانداردهای بی سیم طراحی شده است. برای طراحی این مدار یک طیف فرکانسی 4 الی 6 گیگاهرتز در نظر گرفته شده است و یک تقویت کننده با قابلیت پیکربندی مجدد برای این طیف فرکانسی طراحی شده است. این طیف فرکانسی، استانداردهایی مانند WLNA، LAN ، Bluetooth و Wi-Fi را پوشش می دهد.
فراهم کردن بهره ولتاژ بالا همزمان با القای نویز کم به سیگنال توسط مدار و همچنین تطبیق امپدانس مناسب در محدوده فرکانسی مورد نظر، مهمترین چالش این پایان نامه است. برای ایجاد بهره مطلوب در باند فرکانسی مورد نظر از دو طبقه LNA متوالی استفاده شده است. ضمناً برای حصول تطبیق امپدانس مطلوب در باند فرکانسی مورد نظر از یک شبکه تطبیق امپدانس استفاده شده است.
LNA طراحی شده در این پایان نامه، در تکنولوژیRF CMOS 0.24 با استفاده از نرم افزارAdvanced Design System 2011.01 شبیه سازی شده است. یک تقویت کننده کم نویز مطلوب باید از نظر پارامترهای پراکندگی دارای بزرگتر از 10dB برای بهره زیاد، و کوچکتر از-10dB برای تطبیق مطلوب امپدانس ورودی و خروجی، کوچکتر از -40dB برای پایداری و ایزولاسیون معکوس بزرگ و در نهایت عدد نویز(NF) کوچک تر از 4dB باشد. برای LNA طراحی شده در این پایان نامه مقادیر ، ، ، و بدست آمده است که مقادیری مطلوب و قابل قبول هستند.
مقدمه:
تقویت کننده کم نویز(LNA) یکی از اجزای مهم در طراحی گیرنده های فرکانس بالا است. LNA نقش مهمی در نویز کلی سیستم گیرنده دارد و با توجه به اینکه اولین طبقه از یک گیرنده امواج رادیویی است و نویز ناشی از آن مستقیماً به نویز کلی گیرنده افزوده میشود. پس این طبقه همزمان با تقویت سیگنال ورودی باید کمترین نویز ممکن را ایجاد نماید. البته طراحی LNA با بهره کافی، برای کاهش نویز طبقات بعدی (مانند میکسر) لازم است.
در سال‌های اخیر، گیرنده‌هایی با قابلیت پشتیبانی از چندین استاندارد مختلف مورد توجه قرار گرفته است. استانداردها مشخصه‌های مختلف انتقال اطلاعات، مانند فرکانس کاری، نوع مدولاسیون، نوع داده، میزان نویز قابل قبول و.... را شامل می‌شوند.
ساده‌ترین روش برای طراحی این نوع گیرنده‌ها پیاده سازی استانداردها در مسیرهای موازی است که با سوئیچ و به وسیله دستورهای واحد کنترل، استاندارد کاری گیرنده تغییر می کند. برای طراحان این نوع مدارها، کاهش مساحت تراشه و در نتیجه هزینه ساخت و نیز کاهش توان مصرفی مهمترین هدف است. اشتراک در سخت افزار یکی از روش‌های رسیدن به این هدف است و در این راه، تقویت‌کننده کم نویز به عنوان اولین طبقه گیرنده، نقش مهمی دارد.
طراحی تقویت‌کننده کم نویز، با توجه به موقعیت آن در مدار با بعضی محدودیتها روبرو است که با پیچیده شدن مدار و افزایش استانداردهای کاری این محدودیتها افزایش خواهند یافت. برای طراحی تقویت کننده کم نویز در گیرنده های با قابلیت کار در چند استاندارد مختلف، روش های زیادی پیشنهاد شده است. برای این نوع تقویت-کننده ها دو نوع طراحی در حالت کلی وجود دارد:
اول- طراحی تقویت کننده باریک باند، به طوریکه تقویت فقط در باندهای استانداردهای کاری تقویت کننده باشد و فقط در این باندها مشخصه های تقویت کننده شامل امپدانس ورودی، بهره، حداقل عدد نویز ، خطی بودن و ... رعایت شوند.
دوم- طراحی تقویت کننده پهن باند، مانند تقویت کنندهUWB که در این نوع تقویت کننده برای یک پهنای وسیع فرکانسی که شامل فرکانس استانداردهای مطلوب نیز است، طراحی انجام می شود.
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه و بررسی پیشینه پژوهش
1-1- مقدمه
1-2- نویز
1-2-1 نویز حرارتی
1-2-2- نویز گیت القا شده
1-2-3- نویز فلیکر
1-2-4- منابع دیگر نویز
1-3- مفاهیم پایه CMOS LNA
1-3-1- اثر غیراستاتیک
1-3-2- تئوری نویز دو پایانه ای
1-4- ملزومات و پارامترهای مهم LNA
1-4-1- تطبیق امپدانس
1-4-2- عدد نویز
1-4-3-بهره
1-4-4- حساسیت
1-4-5- اثرات غیرخطی
1-4-5-1- خطی بودن چند طبقه متوالی
1-4-6- پارامترهای S
1-4-7- پایداری
1-6- تطبیق امپدانس در طراحی LNA
1-6-1- مقاومت موازی در ورودیLNA
1-6-2- فیدبک سری – موازی
1-6-3- ورودی گیت مشترک
1-6-4- ساختار سلف در سورس (Inductive Source Degeneration)
1-7- ساختارهای تفاضلی
1-8- معرفی مدارهای تقویت کننده کم نویز چنداستانداردی
1-8-1- تقویت کننده برای دو استاندارد IEEE80211a/b
1-8-2- تقویت کننده برای استانداردهایCDMA/WCDMA
1-8-3- تقویت کننده inductive source degeneration برای DECT و BLUETOOTH
1-8- 4- طراحی تقویت کننده برای دو استاندارد DCS1800 و W-CDMA
1-8-5- تقویت کننده استانداردهای IEEE80211a/b
1-8-6- تقویت کننده استانداردهای UMTS و GPS
1-8-7- تقویت کننده برای IEEE80211a/b
1-8-8- تقویت کننده با استفاده از فیدبک ولتاژ- ولتاژ و تکنیک چند استانداردی کردن
1-9- معرفی مدارهای تقویت کننده پهن باند
1-10- سیستم های میکروالکترومکانیکی MEMS
فصل دوم: مواد و روش ها
2-1- انتخاب تکنولوژی
2-2- ساختارهای LNA در تکنولوژی BJT
2-3- خصوصیات ساختارهایCMOS LNA
2-3-1- تطبیق ورودی
2-3-2- عدد نویز
2-3-3- خطی بودن
2-3-4- بهره
2-3-5-ایزوالاسیون معکوس و پایداری
2-3-6- نقطه فشردگی 1-dB
2-3-7- نقطه تقاطع مرتبه سوم
2-3-8- محدوده دینامیکی
2-3-9- هدایت انتقالی مؤثر
فصل سوم: تئوری و طراحی LNA چند استانداردی
3-1- اهداف طراحی و انتخاب ساختار
3-2- طراحی LNA پیشنهادی
3-2-1- طراحی هسته LNA
3-2-2- طراحی و شبیه سازی دو طبقه متوالی LNA
3-2-3- شبیه سازیLNA پیشنهادی پایان نامه
4-3- جدول مقایسه
4-4- نتیجه گیری
4-5- پیشنهاد برای کارهای بعدی
مراجع
فهرست اشکال:
شکل(1-1) مدل سیگنال کوچک نویز حرارتی
شکل(1-2) مدل سیگنال کوچک نویز گیت القا شده
شکل(1-3) منابع نویز در ترانزیستورMOS
شکل(1-4) مدل سیگنال کوچک MOS همراه با اثر NQS
شکل(1-5) مدل نویزی شبکه دو پایانه ای
شکل(1-6) مدل بدون نویز شبکه دو پایانه ای
شکل(1-7) مدل سیگنال کوچک ترانزیستور MOS
شکل (1-8) عدد نویز طبقات متوالی
شکل (1-9) نقطه فشردگی 1-dB
شکل (1-10) تست دو سیگنال مجاور برای سیستم غیر خطی
شکل (1-11) نقطه تقاطع مرتبه سوم
شکل(1- 12) شبکه دو پایانه ای
شکل (1-13) شرط تطبیق امپدانس
شکل (1-14) ساختار تطبیق امپدانس با مقاومت موازی در ورودی
شکل (1-15) ساختار تطبیق امپدانس با مقاومت فیدبک
شکل (1-16) ساختار Current Reuse LNA
شکل (1-17) روش خنثی سازی خازن گیت درین
شکل (1-18) ساختار تطبیق ورودی گیت مشترک
شکل (1-19) ساختار Inductive Source Degeneration و مدل سیگنال کوچک MOS
شکل (1-20) طرح LNA برای استانداردهای IEEE80211a/b
شکل (1-21) مقاومت معادل سلف
شکل (1-22) LNA برای استانداردهای [12]CDMA/WCDMA
شکل (1-23) تقویت کننده برای [13]DECT/BLUETOOTH
شکل (1-24) تقویت کننده برای استانداردهای [14]DCS1800/W-CDM
شکل (1-25) مدار برای استاندارد 80211a/b
شکل (1-26) مدار ورودی در فرکانس پایین
شکل (1-27) مدار ورودی در فرکانس بالا
شکل (1-28) تقویت کننده خود تطبیق دهنده برای استانداردهای 80211a/b
شکل (1-29) قسمت حقیقی امپدانس ورودی در برابر تغییر فرکانس
شکل (1-30) تقویت کننده Current Reuse
شکل (1-31) اساس طراحی تقویت کننده Current Reuse
شکل (1-32) تقویت کننده دو استانداردی برای [18]80211a/b
شکل (1-33) نمای کلی تقویت کننده با استفاده از فیدبک ولتاژ- ولتاژ [19]
شکل (1-34) بار پیشنهادی تغییر شکل پذیر برای LNA با فیدبک در حالت Multi-Standard
شکل (1-35) بار پیشنهادی برای LNA با فیدبک در حالت Multi-Standard
شکل (1-36) نمونه‌ای از مدار تقویت کننده فیدبک ولتاژ- ولتاژ [19]
شکل (1-37) ساختار LNA باند باریک [20]
شکل (1-38) مدل سیگنال کوچک LNA
شکل (1-39) مدار تقویت کننده پهن باند[20]
شکل (1-40) مدل سیگنال کوچکLNA
شکل (1-41) ورودی مدار Inductive source degeneration
شکل (1-42) افزایش پهنای فرکانسی در ورودی مدار[21] Inductive source deg
شکل (1-43) امپدانس ورودی با افزودن LC موازی
شکل (1-44) جریان و بار خروجی و نحوه طراحی بار برای تنظیم بهره مدار
شکل (1-45) مدار LNA برای باند فرکانسی 3 تا 10 گیگا هرتز[21]
شکل (1-46) مدار تقویت کننده برای فرکانس 3 تا 5 گیگا هرتز[22]
شکل (1-47) مقایسه بین چند نمونه سوئیچ
شکل (1-48) تحریک الکترواستاتیکی
شکل (1-49) اتصال اهمی یا فلز به فلز MEMS
شکل (1-50) حالت باز اتصال خازنی MEMS
شکل (1-51) حالت بسته اتصال خازنی MEMS
شکل (2-1) تقویت کننده امیتر مشترک[6]
شکل (2-2) تقویت کننده کسکود[27]
شکل (2-3)تقویت کننده بیس مشترک[6]
شکل (2-4)تقویت کننده گیت مشترک[28]
شکل (2-5)تقویت کننده با ساختار IDCS
شکل (3-1) ساختار LNA سورس مشترک
شکل (3-2) ساختار LNA پیشنهادی…
شکل(3-3) ساختار هسته LNA
شکل(3-4) نمودار تطبیق امپدانس ورودی هسته LNA
شکل(3-5) نمودار قسمت حقیقی و موهومی امپدانس ورودی هسته LNA
شکل(3-6) نمودار بهره هسته LNA
شکل(3-7) نمودار ایزوالاسیون معکوس هسته LNA
شکل(3-8) نمودار تطبیق امپدانس خروجی هسته LNA
شکل(3-9) نمودار عدد نویز هسته LNA
شکل(3-10) ساختار دو طبقه متوالی LNA
شکل(3-11- الف) نمودار تطبیق امپدانس ورودی دو طبقه متوالی
شکل (3-11) نمودار قسمت حقیقی و موهومی دو طبقه متوالی
شکل (3-12) نمودار بهره دو طبقه متوالی
شکل (3-13) نمودار ایزوالاسیون معکوس دو طبقه متوالی
شکل (3-14) نمودار عدد نویز دو طبقه متوالی
شکل(3-15) مدل سیگنال کوچک شبکه تطبیق ورودی
شکل (3-16) نمودارهای قسمت حقیقی و موهومی امپدانس ورودی شبکه تطبیق
شکل (3-17) نمودارهای تطبیق امپدانس ورودی LNA پیشنهادی
شکل (3-18) نمودار بهره LNA پیشنهادی
شکل (3-19) نمودار ایزوالاسیون معکوس LNA پیشنهادی
شکل (3-20) نمودار عدد نویز LNA پیشنهادی
شکل (3-21) نمودار تطبیق امپدانس خروجیLNA پیشنهادی
شکل (3-22) مدل کلی سلف RF MEMS 112
شکل (3-23) مدار LNA پایان نامه با در نظر گرفتن مدل سلف
شکل (3-24) تطبیق ورودی LNA پیشنهادی پایان نامه با در نظر گرقتن مدل کلی
شکل (3-25) بهره LNA پیشنهادی پایان نامه با در نظر گرقتن مدل کلی
شکل (3-26) ایزالاسیون معکوس LNA پیشنهادی پایان نامه با در نظر گرقتن مدل کلی
شکل (3-27) تطبیق خروجی LNA پیشنهادی پایان نامه با در نظر گرقتن مدل کلی
شکل (3-28) عدد نویز LNA پیشنهادی پایان نامه با در نظر گرقتن مدل کلی
شکل (3-28) عدد نویز LNA پیشنهادی پایان نامه با در نظر گرقتن مدل کلی
فهرست جداول:
جدول (1-1) مقایسه ساختارهای تطبیق امپدانس ورودی
جدول (1-2) مشخصه های LNA طراحی شده برای 80211a/b
جدول (1-3) مشخصه های LNA طراحی شده برای CDMA/WCDMA
جدول (1-4) مشخصه های LNA طراحی شده برای DECT/BLUETOOTH
جدول (1-5) حالت سوئیچ ها برای کارکرد مدار DCS1800/W-CDMA
جدول (1-6) مشخصه های LNA طراحی شده برای DCS1800/W-CDMA
جدول (1-7) مشخصه های LNA طراحی شده برای 80211a/b
جدول (1-8) مشخصه های مدار خود تطبیق برای 80211a/b
جدول (1-9) مشخصه های مدار در دو باند 24 GHzو 525GHz
جدول (1-10) مشخصه های گیرنده 3 تا 5 گیگاهرتز [22]
جدول (2-1) مقایسه بهره و نویز ترانزیستورهای مکروویو [25]
جدول(3-1) مقادیر اجزای طبقه کسکودی LNA
جدول(3-2) مقادیر اجزای LNA پیشنهادی پایان نامه
جدول(3-3) مقایسه مشخصه مدار طراحی شده با دیگر طرح های ارائه شده
منابع و مأخذ:
[1]. W. Alan Davis and Krishna Agarwal, "Radio Frequency Circuit Design", Printed in the United States of America, Press December 2001.
[2]. T.H. Lee, "The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits", 2Edition, Cambridge Press 2004.
[3]. Paul Leroux and Michiel Steyaert, "LNA-ESD CO-Design For Fully Integrated CMOS Wireless Receivers", Publish in Springer, Press 2005.
[4]. Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko, "RF Circuit Design", Publish in Springer, Press 2000.
[5]. Yong Wang Ding and Ramesh Harjani, "High-Linearity CMOS RF Front-End Circuits", Publish in Springer, Press 2005.
[6]. Behzad Razavi, "RF Microelectronics", University of California, Press 1998.
[7]. J. Janssens and M. Steyaert,"CMOS Cellular Receiver Front-Ends" Publish in Springer, Press 2000.
[8]. Ro-Min Weng, Chun-Yu Liu and Po-Cheng Lin, "A Low-Power Full-Band Low-Noise Amplifier for Ultra-Wideband Receivers", IEEE Transactionon Microwave Theoryand Techniques, VOL. 58, NO. 8, August 2010.
[9]. Richard Chi-Hsi Li, "RF Circuit Design", Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, Press 2009.
[10]. Duran Leblebici and Yusuf Leblebici," Fundamentals of High-Frequency CMOS Analog Integrated Circuits,"Cambridge University Press 2009.
[11].T. K. K. Tsang and M. N. El-Gamal, "Dual-band sub-1 V CMOS LNA for 802.11a/b WLAN applications," in Proc. IEEE Integrated Circuits , vol. 1, pp. 217- 220, Press 2003.
[12]. Sang-Sun Yoo and Hyung-Joun Yoo, "A Compact Dualband LNA Using Self-matched Capacitor", Radio-Freq. Integration Technology, pp. 227-230, Press 2007.
[13]. V. Vidojkovic et al, "Fully‐Integrated DECT/Bluetooth Multi‐Band LNA in 0.18μm CMOS," in Proc. of IEEEISCAS, pp.565‐568, Press 2004.
[14]. Hyejeong Song, Huijung Kim, Kichon Han, Jinsung Choi, Changjoon Park, and Bumman Kim, " A Sub-2 db NF Dua-Band CMOS LNA for CDMA/WCDMA Applications " IEEE Transactionon Microwave Theoryand Techniques, vol. 18, no. 3, pp. 212-214, Press Mar. 2008.
[15]. Eun-Hee Kim, Yong-Seok Hwang, and Hyung-Joun Yoo, "A 2.4/5.25 GHz CMOS Dual-band Low Noise Amplifier with Filtering Characteristics," IEEE Transactionon Microwave Theoryand Techniques, vol. 20, no. 4, pp. 214-245, Press 2007.
[16]. C. P. Moreira, E. Kerherve and P. Jarry, "A Reconfigurable DCS1800/W-CDMA LNA: Design and Implementation Issues," Proceedings of the 9th European Conference on Wireless Technology, pp. 357-360, Press 2006.
[17]. Ben Amor, M. Fakhfakh, A. Mnif and H. Loulou, "Dual Band CMOS LNA Design With Current Reuse Topology" Design and Test of Integrated Systems in Nanoscale Technology, DTIS 2006, pp. 57-61, Press 2006.
[18]. L.-H. Lu and Y.S Wang, "A compact 2.4/5.2 GHz CMOS dual-band low-noise amplifier," IEEE Transactionon Microwave Theoryand Techniques, vol. 15, no. 10, pp. 685–687, Press Oct. 2005.
[19]. Paolo Rossi, "RF Building Blocks for Universal Mobile Terminals," Doctoral thesis, Advisor: Prof. Francesco svelto, University of Pavia, Press 2003-2004.
[20]. Chang-Wan Kim, Min-Suk Kang, Phan Tuan Anh, Hoon-Tae Kim, and Sang-Gug Lee, "An Ultra-Wideband CMOS Low Noise Amplifier for 3–5-GHz UWB System," IEEE Journal of Solid State Circuits, VOL. 40, NO.2, Press February 2005.
[21]. Aly Ismail and Asad A. Abidi, "A 3–10-GHz Low-Noise Amplifier With Wideband LC-Ladder Matching Network" , IEEE Journal of Solid State Circuits, VOL. 39, NO. 12, pp. 2269-2277. Press2004.
[22]. A. Bevilacqu , C. Sandner , A. Gerosa and A. Neviani , "A fully integrated differential CMOS LNA for 3–5-GHz ultrawideband wireless receivers" , IEEE Microwave and Wireless Components Letters, VOL. 16, NO. 3, pp. 134-136, press March 2006.
[23]. Bal.S Virdee, Avtar S Virdee, Ben Y Benyamin, " Broadband Microwave Amplifiers", Artech House Inc, Boston London, press 2004.
[24]. Kevin W. Kobayashi, Dwight C. Streit, Aaron K. Oki," A Novel Monolithic HEMT LNA Integrating HBT-Tunable Active Feedback Linearization by Selective MBE", IEEE Transactionon Microwave Theoryand Techniques, VOL.44, NO.12, Press December 1996.
[25]. David M. Pozar, "Microwave and RF Design of Wireless systems", press 2001.
[26]. Chenming Hu," BSIM3 MOSFET Model Accuracy for RF Circuit Simulation," University of California, Press 1998.
[27]. John Rogers Calvin Plett, "Radio Frequency Integrated Circuit Design", Artech House Boston London, Press 2003.
[28]. W. Zhuo, X. Li, S. Shekhar, S. H. K. Embabi, J. Pineda de Gyvez, D. J. Allstot, and E.Sanchez-Sinencio, "A Capacitor Cross-Coupled Common-Gate Low-Noise Amplifier," IEEE Transactions on Circuits and Systems,VOL. 52, NO.12, Press December 2005.
[29]. J P Silver," MOS. Differential LNA Design Tutorial", Press Dec. 2011.
[30]. Ro-Min Weng, Chun-Yu Liu and Po-Cheng Lin, "A Low-Power Full-Band Low-Noise Amplifier for Ultra-Wideband Receivers", IEEE Transactions on Microwave Theory and, VOL. 58, NO.8, Press August 2010.
[31]. Chih-Aan Liao, Shen-Iuan Liu, "A Broadband Noise Cancelling CMOS LNA for 3.1-10.6 Ghz UWB Receivers", IEEE Journal Of Solid State Circuites, VOL. 42, NO. 2, pp. 329-338, Press February 2007.
[32].Vu Kien Dao, Quang Diep Bui and Chul Soon Park , "A Multi-band 900MHz/1.8GHz/5.2GHz LNA for Reconfigurable Radio", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, Press July 2007.
[33]. H. J. De Los Santos,"Introduction to Microelectromechanical (MEM) Microwave Systems", Artech House, Boston - London, Press 1999.
[34].G. M. Rebeiz and J. B. Muldavin, "RF MEMS Switches and Switch Circuits", IEEE Microwave Magazine, Vol. 2, No. 4, pp. 59-71, Press December 2001.
[35]. D. Peroulis, S. P. Pacheco, K. Sarabandi and L. P.B. Katehi, "Electromechanical Considerations in Developing Low- Voltage RF MEMS Switches", IEEE Trans. on MTT, Vol. 51, No. 1, pp. 259-270, Press January 2003
[36]. R. Malmqvist and C. Samuelsson," Switched LNAs Using GaAs Based RF MEMS Switches", Conference Publication, vol.01, pp. 283 – 286, Press Oct. 2010.
[37]. Hiroshi Okazaki and Kunihiro Kawai, "Reconfigurable Amplifier TowardsEnhanced Selectivityof Future Multi-band Mobile Terminals," Conference Publications, pp. 1 – 4, Press Feb. 2010.
[38]. R. Malmqvist and C. Samuelsson, "RF MEMS and MMIC basedReconfigurable Matching Networks for Adaptive Multi-Band RF Front-Ends," Conference Publications, pp.1 – 4, Press Feb. 2010
[39]. Yorgos K. Koutsoyannopoulos," Systematic Analysis and Modeling of Integrated Inductors and Transformers in RF IC Design," IEEE Transation on Circuits and Systems, VOL. 47, NO.8, Press August 2000.
طراحی و شبیه سازی تقویت کننده کم نویز چند استانداردی با قابلیت پیکربندی مجدد. doc
