تقویت‌کننده کم‌نویز فراپهن‌باند CMOS با توان مصرفی کم و ولتاژ تغذیه زیر یک ولت با استفاده از روش حذف نویز

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد الکترونیک، گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.

2 استادیار گروه مهندسی برق و الکترونیک، آزمایشگاه تحقیقاتی مدارهای مجتمع، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.

چکیده

تقویت‌کننده‌های کم‌نویز در گیرنده‌های رادیویی معمولا اولین بلوک بعد از آنتن هستند و وظیفه آن‌ها تقویت سیگنال دریافتی از آنتن بدون افزودن هرگونه نویز و اعوجاج است. از مهم‌ترین مشخصه‌های مطلوب در یک تقویت‌کننده کم‌نویز می‌توان به بهره نسبتا بالا، توان مصرفی پایین، تطبیق مناسب امپدانس ورودی و خروجی، و عدد نویز کم در آن‌ها اشاره کرد. در این مقاله یک تقویت‌کننده کم‌نویز فراپهن‌باند با استفاده از روش حذف نویز ارائه شده است که در آن با استفاده از فیدبک مثبت در مسیر حذف نویز و ارائه یک ساختار زیرِ یک ولت، توان مصرفی به طرز چشمگیری کاهش داده شده است. مدار پشنهادی در این مقاله مورد تحلیل و شبیه سازی قرار گرفته و پایداری مطلق آن نیز اثبات گردیده است. جانمایی این تقویت‌کننده در فناوری TSMC 0.18µm RF-CMOS  با استفاده از نرم‌افزار Cadence-IC رسم و مورد شبیه سازی قرار می­گیرد. شبیه­سازی­ها نشان می­دهد عدد نویز این ساختار نسبت به ساختار متداولی که آن را توسعه داده­ایم حدود dB2 بهبود داشته به طوریکه عدد نویز آن در بازه فرکانسی GHz2 تا GHz12 به محدوده dB6/3 تا dB5/4رسیده است و در کلِ بازه فرکانسی تغییرات بسیار کمی دارد. بهره بیشینه این تقویت‌کننده  dB25/17 است و پارامترهای  S11 و  S22آن به ترتیب کمتر از dB24/9- و از dB74/9- است و S12 نیز کمتر از  dB5/28- است. هم‌چنین خطسانی این تقویت کننده (IIP3) برابر dBm4/3- است که نسبت به ساختار متداول بهبود مناسبی داشته است. کل توان مصرفی این ساختار با ولتاژ تغذیه 8/0 ولتی برابر  mW89/4 است که نسبت به ساختار متداول 70 درصد کاهش داده شده است. براساس جانمایی انجام شده مساحت اشغالی این مدار برروی تراشه mm2 89/0است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Low Power CMOS UWB LNA with Sub-1V Supply Voltage and Noise Cancellation Technique

نویسندگان [English]

  • Mehdi Alinejad 1
  • Emad Ebrahimi 2
1 MSc, Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 Assistant Professor of Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.
چکیده [English]

Low noise amplifiers (LNA) in RF receivers are usually the first block after the antenna that amplify the signal received from the antenna with negligible noise and distortion. The most important desirable characteristics of an LNA are relatively high gain, low power consumption, appropriate matching of input and output impedance, and low noise figure. Using the noise cancelation method, the design and simulation of a new wideband LNA has been discussed in this paper, in which the power consumption has been significantly reduced by using positive feedback as well as sub-1 volt supply voltage. First, the proposed circuit was analyzed in this article. Then, the proposed amplifier has been implemented in TSMC 0.18µm RF-CMOS technology and simulated using Cadence-IC software. The simulations show that the noise figure of this structure has improved by about 2dB compared to the conventional structure, and its noise figure has reached 3.6dB to 4.5dB in the frequency range of 2GHz to 12GHz. The maximum gain of the LNA is 17.25dB, and its S11 and S22 parameters are less than -9.24dB and -9.74dB, respectively. S12 is also less than -28.5dB. The linearity of this amplifier in term of IIP3 is -3.42dBm. The total power consumption of the circuit is 4.89mW with a supply voltage of 0.8V that results in 70% power consumption reduction. According to the physical layout the circuit occupies only 0.89 mm2 of active area.
.

کلیدواژه‌ها [English]

  • LNA
  • Noise cancellation technique
  • Noise figure
  • UWB

مراجع

[1] P. Qin, and Q. Xue. “Compact wideband LNA with gain and input matching bandwidth extensions by transformer.” IEEE Microwave Wireless Component Letter, 27 (2017): 657-659.
[2] Z. Li. “Low-noise and high-gain wideband LNA with gm-boosting technique.” Electronics Letters, 49 (2013): 1126-1128.
[3] A.P. Tarighat, and M.Yargholi. “Low power active shunt feedback CMOS low noise amplifier for wideband wireless systems.” Integration, 69 (2019): 189-197.‏
[4] A. Bozorg, and B. Staszewski. “A 0.02–4.5-GHz LN(T)A in 28-nm CMOS for 5G exploiting noise reduction and current reuse.” IEEE Journal of Solid-State Circuits, 56 (2020): pp. 404-415.
[5] E.A. Sobhy, A.A. Helmy, S. Hoyos, K. Entesari, and E. Sánchez-Sinencio. "A 2.8-mW sub-2-dB noise-figure inductorless wideband CMOS LNA employing multiple feedback." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 59, no. 12 (2011): 3154-3161.
[6] A. Liscidini, M. Brandolini, D. Sanzogni, and R Castello. “A 0.13 μm CMOS front-end, for DCS1800/UMTS/802.11b-g with Multiband positive feedback low-noise amplifier.” IEEE Journal of Solid-State Circuits, 41 (2006): 981–989.
[7] S. Asgaran, M.J. Deen, and C.H. Chen.  “A 4-mW monolithic CMOS LNA at 5.7 GHZ with the gate resistance used for input matching.” IEEE Microwave Wireless Component Letter, 16 (2006): 188–190.
[8] F. Daryabari, A. Zahedi, A. Rezaei, and M. Hayati. "Low-power ultra-wideband LNA employing CS–CD current-reuse and gain-controller resistor technique in 0.180-μm CMOS technology." Analog Integrated Circuits and Signal Processing 101, no. 2 (2019): 187-199.
[9] P. Donyaran1, and B. Heidari.  “Assessing a Noise Reduction Method for a Low-Noise Amplifier.” Tabriz Journal of Electrical Engineering (TJEE), 51 (2021): 195-203.
[10] J. Chaqaei, A. Jalali, and J. Mazloum. "Inductor-less differential low-noise amplifier design with active and passive Gm enhancement for radiology." Tabriz Journal of Electrical Engineering (TJEE), 50 (2019): 85-76. (In Persian)
[11] B. Bijari, and M. Sheykhi. “1.3 to 10.6 GHz ultra-wideband low-noise amplifier with new input matching network.” Tabriz Journal of Electrical Engineering (TJEE), 49 (2020): 518-529. (In Persian)
[12] B. Liu, C. Wang, M. Ma, and S. Guo. “An ultra-low-voltage and ultra-low-power 2.4 GHz LNA design.” Radioengineering, 18 (2009): 527-531.
[13] C. Chang, J. Chen, and Y. Wang. “A fully integrated 5 GHz low-voltage LNA using forward body bias technology.” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 19 (2009): 176-178.‏
[14] M. Mazidabadi Farahani, J. Mazloum, and M. Fouladian. “An ultra-wideband low noise amplifier with cascaded flipped-active inductor for cognitive radio applications.” Elsevier Integration, 93 (2023).
[15] M. Bekaran, M. Taskhiri, and S.A. Asayesh. "UWB low noise amplifier using inverting technique with inductive peaking." Scientific Journal of Applied Electromagnetics, 10 (2022): 109-120. (In Persian)
[16] S. Saraslani, and A. Golmkani, "Ultra wide band low noise amplifier using resistive feedback and current reuse structure." Journal of Iranian Association of Electrical and Electronics Engineers, 20 (2023): 97-104. (In Persian)
[17] C.F. Liao, and S.I. Liu. “A broadband noise-canceling CMOS LNA for 3.1–10.6-GHz UWB receivers.” IEEE Journal of Solid-State Circuits, 42 (2007): 329–339.
[18] M.T. Hsu, Y.C. Chang, and Y.Z. Huang. “Design of low power UWB LNA based on common source topology with current-reused technique.” Microelectronics Journal, 44 (2013): 1223–1230.
[19] A. Galal, R. Pokharel, H. Kanaya, and K.Yoshida. “High linearity technique for ultra-wideband low noise amplifier in 0.18μm CMOS technology.” AEU-International Journal of Electronics and Communications, 66 (2012): 12-17.
[20] C.H. Wu, Y.S. Lin, and C.C. Wang. “A 3.1–10.6-GHz current-reused CMOS ultra-wideband low-noise amplifier using self-forward body bias and forward combining techniques.” Microwave and Optical Technology Letters, 55 (2013): 2296–2302.
[21] B.M. Jafari, and M. Yavari. “A UWB CMOS low-noise amplifier with noise reduction and linearity improvement techniques.” Microelectronics journal, 46 (2015): 198–206, 2015.
[22] S. Arshad, R. Ramzan, K. Muhammad, and Q. Wahab. “A sub-10 mW, noise cancelling, wideband LNA for UWB applications.” AEU-International Journal of Electronics and Communications, 69 (2015): 109–118.
 
مدل سازی در مهندسی
دوره 22، شماره 77
شهریور 1403
صفحه 207-220

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 21 آبان 1401
  • تاریخ بازنگری: 09 آبان 1402
  • تاریخ پذیرش: 21 آذر 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار