طراحی یک تقویت کننده کم نویز با محدوده خطینگی وسیع برای گیرنده رادیویی فراپهن باند با توان مصرفی پایین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی برق دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 استادیار مهندسی برق دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

چکیده

در این مقاله یک تقویت‌کننده کم نویز فراپهن ‌باند مقاوم در برابر تداخل‌گرها در باند فرکانسی 6/10-1/3 گیگاهرتز برای گیرنده‌های رادیویی بی‌سیم جهت انتقال اطلاعات با نرخ بالا ارائه شده است. اعوجاج هارمونیکی مرتبه دوم و سوم (IIP2 ,IIP3) و عدد نویز ساختار پیشنهادی با بکارگیری تکنیک‌های مشتق تطبیقی مکمل بهبود یافته ، فیدبک غیرفعال و خلاقیت در مدار بهبود یافته است. درطرح پیشنهادی با استفاده از فیلتر LC بالاگذر و پیکربندی سورس مشترک، تطبیق امپدانس پهن باند تضمین شده است. از روش گرایش بدنه مستقیم برای کاهش ولتاژ آستانه ماسفت استفاده شده است و تمامی ترانزستورهای نوع n و p در ناحیه وارونگی قوی کار می‌کنند. با منبع تغذیه 2/1 ولت، ساختار پیشنهادی 41/7 میلی وات توان مصرف می‌کند. نتایج شبیه‌سازی با جانمایی درنرم‌افزار کیدنس برای ترانزیستور ماسفت با تکنولوژی 180 میکرومتر نشان می‌دهد که ضریب بازگشت ورودی کمتر از 10- دسی‌بل، کمترین مقدار عدد نویز 6/2 دسی‌بل، بهره 11 دسی‌بل بدست آمده است. بیشترین مقدار IIP3 و IIP2 درکل باند فرکانسی 5/7 گیگاهرتز به ترتیب 62/3+ و 11/31+ dBm می‌باشد. اندازه تراشه برای طرح پیشنهادی برابر870×734 میلیمتر مربع می‌باشد. با توجه به نتایج به ‌دست آمده، LNA پیشنهادی به عنوان گزینه مناسب برای کاربردهای فراپهن باند با ویژگی توان مصرفی کم و محدوده خطینگی وسیع معرفی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design of a highly linear low power low noise amplifier for UWB receivers

نویسندگان [English]

  • Behnam Dorostkar 1
  • Javad Yavand 2
1 School of Electrical Engineering, Iran University of Science and Technology (IUST)
چکیده [English]

In this paper a interference-resistant ultra-wide-band low noise amplifier is presented in frequency range of 3.1-10.6 GHz for high data rate wireless communication and radio receiver. Second and third order input intercept point (IIP2 and IIP3) are enhanced in the novel circuit by new circuit structure and by adopting the Improved Complementary Derivative Superposition (ICDS), Forward Body Bias (FBB)and resistive feedback. The proposed LNA uses low pass filter and common source topology as wide-band input matching. Utilizing FBB technique reduce the threshold voltage and hence lower power consumption is achieved. The post-layout simulation of the proposed LNA in a 180 nm RF CMOS process show S11 less than - 10 dB in the entire band. Minimum of noise figure is 2.6 dB, power gain is about 11 dB, maximum of IIP3 and of IIP2 are 3.61 dB and 31.11 dB, respectively. The chip area is 734 mm ×870 mm. The DC power consumption is only 7.4 mW with 1.2V DC supply.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Low noise amplifier
  • Ultra wide-band
  • Linearity
  • Tthird order intercept point
[1]    Chi, C. and Li, Z."High-resolution real-   time underwater 3-D acoustical imaging through designing ultralarge ultrasparse ultra-wideband 2-D arrays”, IEEE Transaction on  nstrumentation and Measurement,  and Measurement Vol.66, No.10, PP.2647-2657, 2017.
[2]    Van Walree, PA. Otnes, R. “Ultrawideband underwater acoustic communication channels”, IEEE Journal of Oceanic Engineering. Vol.38, No.4, PP.678-88, 2013.
[3]     Javadi, M. Sheikhaei, S. Kashi, A.S. and Pourmodheji, H., “Design of a direct conversion ultra low power ZigBee receiver RF front-end for wireless sensor networks”, Microelectronics Journal, Vol.44, No.4, pp.347-353, 2013
[4]     Akhchaf, I. Khoulji, S. Essaidi, M.  and Kerkeb, ML. "A novel and single chip tri-band low-noise amplifier for WLAN, WIFI and WiMAX receivers”, International Journal of Computer Science and Information Technology Vol.4, No.6, p.51, 2012.
[5]     Hwang, Y.S., Wang, S.F., Yan, S.C. and Chen, J.J. “An inductorless wideband noise-cancelling CMOS low noise amplifier with variable-gain technique for DTV tuner application”, International Journal of Electronics and Communications,Vol.64, No.11, pp.1009-1014, 2010.
[6]      Im, D., Lee, O. and Nam, I. “A TV receiver front-end with linearized LNA and current-summing harmonic rejection mixer” IEEE Trans on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol. 64, No.3, pp.269-273, 2016.
[7]      Kim, J., Hoyos, S. and Silva-Martinez, J. “Wideband common gate CMOS LNA employing dual negative feedback with simultaneous noise, gain, and bandwidth optimization”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.58, No.9, pp.2340-2351, 2010.
[8]    Deng, Z. and Niknejad, A.M. “On the noise optimization of CMOS common-source low-noise amplifiers”, IEEE Transaction on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol.58, No.4, pp.654-667, 2010.
[9]    Qin, P. and Xue, Q. “Design of wideband LNA employing cascaded complimentary common gate and common source stages”, IEEE microwave and wireless components letters, Vol.27, No.6,  pp.587-589,  2017.
[10]   Cheng, G. Li, Z. Luo, L. Wang, Z. He, X. and He, B. “A low power and high gain current-reused LNA using cascaded L-type input matching network”,  Microelectronics journal, Vol.75, pp.15-26, 2018.
[11]   Lai, M.T. and Tsao, H.W “Ultra-low-power cascaded CMOS LNA with positive feedback and bias ptimization”,' IEEE Trans. Microw. Theory Techn., Vol. 61, No. 5, pp. 1934_1945, 2013.
[12]   Kumar, A.A. Sahoo, B.D. and Dutta, A., "A wideband 2–5 GHz noise canceling subthreshold low noise amplifier. " IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol.65, No.7, pp.834-838, 2017.
[13]   Wan, Q. and Wang, C., "Design of 3.1–10.6 GHz ultra-wideband CMOS low noise amplifier with current reuse technique" AEU-International Journal of Electronics and communication, Vol.65, No.12, pp.1006-1011, 2011.
[14]   Finocchiaro, A., Papotto, G., Ragonese, E. and Palmisano, G., “A 28-nm FD-SOI CMOS Variable-Gain Amplifier With Body-Bias-Based DC-Offset Cancellation for Automotive Radars”, IEEE Trans on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol.66, No.10, pp.1693-1697, 2019.
[15]   Yarahmadi, A., and Jannesari, A. “Design of a Highly Linear Gain Stage with Complementary Derivative Superposition Technique”, Wireless Personal Com, Vol.107, No.4, PP.1709-1716, 2019.
[16]   Zokaei, A., and Amirabadi, A. “A 130 nm wideband fully differential linear low noise amplifier”, Microelectronics Journal, Vol.46, No.9, PP.825-833, 2015.
[17]    Rastegar, H., Saryazdi, S., & Hakimi, A. “A low power and high linearity UWB low noise amplifier (LNA) for 3.1–10.6 GHz wireless applications in 0.13 μm CMOS process”, Microelectronics  journal,Vol.44, No.3,  PP.201-209, 2013.
[18]   Ke-H.Chen,Sh-Iu,Inductorless wideband CMOS low-noise amplifiers using noise-canceling technique,IEEE Trans.Circuit Syst.Vol.59, No.2, PP. 305–314, 2012
[19]   D. Huang, X. Yang, H. Chen, M. I. Khan, and F. Lin, "A 0.3–3.5 GHz activefeedback low-noise amplifier with linearization design for wideband receivers," AEU-International Journal of Electronics and Communications, vol. 84, pp. 192-198, 2018.
[20]   Hayati, M., Cheraghaliei, S. and Zarghami, S. “Design of UWB low noise amplifier using noise-canceling and current-reused techniques”, Integration, Vol.60, pp.232-239. 2018
[21]  Wan, Q., Wang, Q., & Zheng, Z. “Design and analysis of a 3.1–10.6 GHz UWB low noise amplifier with forward body bias technique”, AEU-International Journal of Electronics and Communications, Vol.69, No.1, PP.119-125, 2015.