802.11ac'ye uygulanan "İyi Tasarım Kağıdı" SiGe BiCMOS düşük gürültü amplifikatörü
Özet: IBM 0.36 m SiGe BiCMOS süreç tasarımına dayalı olarak, 802.11ac'ye uygulanan, 5-6 GHz çalışma frekansı bandı ve bir baypas işlevi ile tam bir düşük gürültülü amplifikatör seti. Düşük gürültülü amplifikatörün ana devresi, tek uçlu bir verici endüktans negatif geri besleme yapısı kullanır. Simülasyon sonuçları, çalışma voltajı 5 V olduğunda, düşük gürültü amplifikatörü çalışırken, HBT düşük gürültü amplifikatörünün kararlı bir şekilde çalıştığını göstermektedir.Oda sıcaklığında, toplam gürültü rakamı 2,2 dB @ 5,5 GHz ve küçük sinyal kazancı 13,3 dB'dir. Kanalın gürültü rakamı 7.2 dB @ 5.5 GHz'dir ve ekleme kaybı 6.8 dB'dir. Toplam giriş gücü 0 dBm iki tonlu sinyal (-3 dBm / ton) olduğunda, giriş üçüncü dereceden intermodülasyon noktası yaklaşık 10,2 dBm'dir.
Çince alıntı biçimi: Wei Qidi, Lin Junming, Zhang Guohao, vb. 802.11ac için SiGe BiCMOS düşük gürültülü amplifikatör.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (7): 42-45, 51.
İngilizce alıntı biçimi: Wei Qidi, Lin Junming, Zhang Guohao, ve diğerleri.SiGe BiCMOS teknolojisine dayalı 802.11ac için doğrusal düşük gürültülü amplifikatör tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (7): 42-45, 51.
0 Önsöz
WLAN (Kablosuz Yerel Alan Ağı), mobil cihazların şişirilmiş fiziksel bağlantılardan kaçınmasını sağlar. Yerel alan ağı uygulamalarında bant genişliği, veri çıkışı ve veri hızı gereksinimlerinin sürekli iyileştirilmesi, WLAN'ın geliştirilmesini teşvik etmiştir. Orijinal tek bantlı 802.11 b / g evriminden çoklu giriş çoklu çıkışını (MIMO) 802.11ac desteklemek için. MIMO modunda 802.11ac, her gönderme / alma bağlantısı için 6 Gb / s'ye kadar iletim hızı sağlayabilir. Üretim maliyetlerinden tasarruf etmek için, mevcut WLAN kablosuz modüllerinin çoğu son derece entegre IC modüllerine dayanmaktadır.
Düşük gürültü amplifikatörünün (LNA) gürültü rakamı ve kazancı, tüm alıcının duyarlılığında belirleyici bir rol oynar. Parazitik parametrelerin etkisini azaltmak için, daha yüksek frekanslı LNA'lar genellikle pahalı GaAs, Si-BJT veya MESFET işlemlerini kullanır. Si CMOS teknolojisinin büyük bir fiyat avantajı olmasına rağmen, doğrusallığı ve verimliliği zayıftır. Bu nedenle SiGe BiCMOS prosesi, yüksek performans ve düşük fiyat arasında bir uzlaşmadır.Sadece bipolar proses ve CMOS prosesi özelliklerine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda RF sistem performansı ve düşük güç tüketimi gereksinimlerini de karşılar. Tek uçlu ve diferansiyel olmak üzere iki tür LNA yapısı vardır. Tek uçlu yapının hassasiyeti, topraklama deliğinin parazitik endüktansına çok duyarlıdır, diferansiyel yapı ise daha yüksek güç tüketimine ve gürültüye sahiptir.
Bu yazıda, 802.11ac (5 ~ 6 GHz) için uygun bir LNA tasarlamak için IBM 0.36 m SiGe BiCMOS işlemi kullanılmıştır.Giriş empedansının gerçek kısmını artırırken bir transistör yayıcı geri besleme indüktörü ekleyerek minimum gürültü çemberi ve maksimum kazanç çemberi azaltılır. Uzaklık ve kararlılığı artırın. Daha büyük giriş sinyalini hesaba katmak için, düşük gürültülü amplifikatörün bir baypas (Baypas) işlevi vardır.
1 Devre tasarımı
WLAN tam entegre devre çipi, tek kutuplu çift konumlu anahtar (SPDT), güç amplifikatörü (PA), LNA ve mantık kontrol devresini içerir. LNA giriş devresinin modeli Şekil 1'de gösterilmektedir. RF anahtarı, R-C modeline eşdeğerdir ve PA, 50 dirence eşdeğerdir. Alıcı bağlantı, LAN_EN ve VC1 mantık voltajı tarafından kontrol edilen LNA yolunu ve baypas yolunu içerir. Giriş sinyali küçük olduğunda, LNA etkinleştirme modundadır (EN) ve normal olarak alınan sinyali yükseltir.Alınan sinyal belirli bir aralığı aşarsa, LNA kapatılır ve baypas modu (BP) açılır.Bu sırada, yol zayıflaması artar. Böylelikle çıkış sinyali, nominal eşik aralığı içinde kontrol edilir ve sonraki devre korunur.
1.1 Düşük gürültülü amplifikatör devre tasarımı
LNA'nın tasarım referans indeksi Tablo 1'de gösterilmektedir, merkez frekansı f0 = 5.5 GHz. Tek aşamalı bir gürültü tüpünün optimizasyon hedefleri şunlardır: transistör boyutu, giriş gürültüsü ve makul durgun akım.
LNA'nın AC küçük sinyal analizi devre şeması, Şekil 2'deki gibi gösterilmiştir. Kaynak seviyesinde geri besleme indüktörü bir mikroşerit hattı ile gerçekleştirilir ve eşdeğer endüktans değeri yaklaşık 0,2 nH'dir. Giriş ucu, tek seviyeli LC eşleşmesini benimser ve çıkış, en büyük küçük sinyal kazancını elde etmek için eşlenik eşleştirmedir.
BP yolunun ekleme kaybı, esas olarak transistör anahtarının açık direnci ile gerçekleştirilir ve genel kayıp yaklaşık 7 dB'dir. BP kanalının anahtarı GPIO tarafından kontrol edilir ve ilgili doğruluk tablosu Tablo 2'de gösterilmektedir.
BP kanalının anahtarı, LNA'nın çalışma moduna göre otomatik olarak değiştirilir. SW2 normalde kapalı durumdadır, yani, BP modunda girişi ve çıkışı izole etmek için tasarımda bir AC topraklama olarak kullanılan küçük bir rezistöre eşdeğer olabilen LNA'nın iki çalışma modunda kapalı durumdadır. Devre BP modunda çalışırken, LNA zorla kapatılır ve bu durumdaki giriş ve çıkış dönüş kaybı her bir dalın kapasitansı ayarlanarak ayarlanabilir.
1.2 Düşük gürültülü amplifikatörün tasarım analizi
Şekil 3, transistör vericisi endüktans verdikten sonra HBT küçük sinyalinin basitleştirilmiş bir analiz diyagramıdır. Bunlar arasında, Rb, üst katmanla temas eden transistör ile yayıcının yakınındaki doğrusal taban arasındaki silikon direncidir, Rp ve Cb, taban ile verici arasındaki parazitik direnç ve parazitik kapasitanstır ve Ls, ek yayıcı geri besleme endüktansıdır. Eşit kazanç çemberi ile eşit gürültü çemberi arasındaki mesafeyi daraltmak için.
B ucundan yük sonuna kadar görülen empedans şu şekilde olabilir:
Eşdeğer giriş ve çıkış eşleştirmesiyle elde edilebilecek maksimum kazanç şu şekilde ifade edilebilir:
LNA'nın eşit kazanç çemberi ve eşit gürültü çemberinin simülasyon sonuçları Şekil 4'te gösterilmektedir. En iyi empedans noktası ile en iyi gürültü eşleştirme noktası arasındaki mesafe, yayıcı geri besleme direnci tarafından ayarlanır. Frekans bandındaki eşit kazanç çemberi ve eşit gürültü çemberi gerçek duruma göre optimize edilir, yani giriş ve çıkış eşleştirme kazançları GS ve GL ayarlanır.
1.3 Genel devre tasarımı
LNA'nın giriş ucu anten anahtarının (SPDT) bir ucuna bağlanır ve anten SPDT'ye iki bağlama teli ile bağlanır, bir ucu PA'nın giriş ucuna ve diğer ucu LNA'ya bağlanır. LNA'nın genel tasarım devre şeması Şekil 5'te gösterildiği gibi, önyargı devresi, mantık kontrol devresi, LNA ana geçişi, LNA Baypas geçişi ve LNA parçasının anahtar devresi dahil olmak üzere gösterilmiştir.
2 Devre simülasyonu ve analizi
Simülasyon platformu Agilent'in ADS2014'ünü kullanır, güç kaynağı voltajı 5 V'dir, statik ve doğrusallık simülasyon sonuçları Tablo 3 ve Tablo 4'te gösterilmektedir. Giriş frekansı 2,412 GHz ve 2,437 GHz olduğunda LNA'nın statik önyargı akımı yaklaşık 6,7 mA'dır. Çift tonlu sinyaller için (toplam güç 0 dBm'dir), giriş üçüncü derece intermodülasyon noktası 23 dBm'dir. Ek olarak, LNA'nın küçük sinyal simülasyon sonuçları aşağıdaki gibidir: Düşük gürültülü amplifikatörün gürültü figürü analizinin simülasyon sonuçları Şekil 6 (a) 'da gösterilmektedir.LNA çalışırken, frekans bandındaki (5-6 GHz) NF yaklaşık 2.2 dB'dir. LNA baypas durumunda çalışırken, NF yaklaşık 7,2 dB'dir ve devre esas olarak zayıflar.
LNA etkinleştirme durumunu temsil etmek için Ağırlık = 1 ve LNA baypas durumunu temsil etmek için Ağırlık = 0 alın ve devre üzerinde S parametresi simülasyonu gerçekleştirin. Şekil 6 (b) 'de gösterildiği gibi, 5 ila 6 GHz frekans aralığında, LNA etkin durumdayken, küçük sinyal kazancı 13,5 ila 11,7 dB'dir. Tersine, LNA baypas durumunda olduğunda, ekleme kaybı yaklaşık 7.6 7.3 dB. LNA'nın giriş ve çıkış yansıma katsayılarının simülasyon sonuçları sırasıyla Şekil 6 (c) ve Şekil 6 (d) 'de gösterilmektedir Frekans bandında, giriş ve çıkış yansıma katsayılarının her ikisi de -10.5 dB'den küçüktür.
3 Sonuç
Bu makale SiGe BiCMOS işleminin fiziksel özelliklerini ve LNA'daki uygulamasını tartışır ve eşit kazanç çemberi ve eşit gürültü çemberi ile verici geri besleme indüktör teknolojisinin tanıtımını ve 802.11ac için bir uygulama tasarlamak üzere IBMin 0,36 m SiGe BiCMOS sürecini birleştirir WLAN tam entegre düşük gürültülü amplifikatör. Düşük gürültülü amplifikatör, baypas işlevine sahip tek uçlu kararlı bir yapı kullanır.Çalışma voltajı 5 V olduğunda, LNA koşulsuz olarak kararlıdır. 5.5 GHz'lik merkez frekans noktasında, genel gürültü rakamı 2.2 dB'dir ve küçük sinyal kazancı Baypas durumunda çalışırken, gürültü rakamı 7.2 dB'dir ve ekleme kaybı yaklaşık 6.8 dB'dir. Toplam giriş gücü 0 dBm iki tonlu sinyal (-3 dBm / ton) olduğunda, giriş üçüncü dereceden intermodülasyon noktası yaklaşık 10,2 dBm'dir.
Referanslar
CHOI W J, SUN Q, GILBERT J M. Gelişmiş kablosuz yerel alan ağları için MIMO teknolojisinin devre etkileri. 200 IEEE Radyo Frekansı Entegre Devreler (RFIC) Sempozyumu, 2006.
KLEPSER B, PUNZENBERGER M, RUHLICKE T, et al. WLAN 802.11a / b / g uygulamaları için 5 GHz ve 2.4 GHz çift bantlı RF alıcı-verici.2003 IEEE Radyo Frekansı Tümleşik Devreler (RFIC) Sempozyumu, 2003: 37- 40.
HUANG C W P, ANTOGNETTI P, LAM L, ve diğerleri. 256 QAM 802.11ac WLAN radyo ön uç tasarımlarına olanak tanıyan son derece entegre bir çift bant SiGe güç amplifikatörü.2012 IEEE Radyo Frekansı Tümleşik Devreler (RFIC) Sempozyumu, 2012.
HUANG CWP, VAILLANCOURT W, MASSE C, ve diğerleri. 5 × 5 mm yüksek oranda entegre edilmiş çift bantlı WLAN ön uç modülü, 802.11 a / b / g ve 802.11n Radyo Tasarımlarını basitleştirir. 2007 IEEE Radyo Frekansı Entegre Devreler Sempozyumu, 2007: 665-668.
RAZAVI B.RF Mikroelektronik, ABD: Hall PTR, 1998.
WELCH R, JENKINS T, NEIDHARD B, ve diğerleri AlGaN / GaN güç HEMT cihazları kullanan düşük gürültülü hibrit amplifikatör. 23. Yıllık Teknik Özet Gallium Arsenit Entegre Devre (GaAs IC) Sempozyumu, 2001: 153-155.
Lin Junming, Zheng Yaohua, Zhang Zhihao ve diğerleri.CMOS RF güç amplifikatörlerinin yüksek verimliliği ve yüksek doğrusallığında araştırma ilerlemesi.Elektronik Teknolojinin Uygulanması, 2015, 41 (11): 17-23.
Lin Junming, Zheng Yaohua, Zheng Ruiqing ve diğerleri Cep telefonları için SOI doğrusal RF güç amplifikatörünün tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2015, 41 (9): 60-62.
RF devre uygulamaları için RACANELLI M, KEMPF P. SiGe BiCMOS teknolojisi Elektron Cihazlarında IEEE İşlemleri, 2005, 52 (7): 1259-1270.
Wang Xuezhen, WEBER R. Alçak gerilim düşük güçlü SiGe BiCMOS X-band LNA tasarımı ve IEEE 802.11a LNA tasarımı ile karşılaştırma çalışması IEEE Uluslararası Radar Konferansı, 2005: 27-30.
GRAY PR, MEYER R G, HURS P J, ve diğerleri Analog entegre devrelerin analizi ve tasarımı Hoboken: John Wiley and Sons, 2001.
OZAR D M. Mikrodalga mühendisliği New York: Wiley, 2005.
yazar bilgileri:
Wei Qidi 1, Lin Junming 1, Zhang Guohao 1, Chen Liang 2, 3
1. Bilgi Mühendisliği Okulu, Guangdong Teknoloji Üniversitesi, Guangzhou 510000, Guangdong, Çin;
2. Çin Elektronik Teknolojisi Grup Şirketinin 55. Araştırma Enstitüsü, Nanjing 210000, Jiangsu;
3. Nanjing Guobo Electronics Co., Ltd., Nanjing 210000, Jiangsu;
