Вариант 10
Содержание |
Разработка малошумящего усилителя и исследование его параметров
| Название главы | Дата начала | Дата окончания |
|---|---|---|
| Основные параметры малошумящего усилителя | 01.10.2012 | 01.12.2012 |
| Разработка схемы малошумящего усилителя | 02.12.2012 | 02.03.2013 |
| Анализ результатов | 03.03.2013 | 21.03.2013 |
| Название главы | Отметка о завершении |
|---|---|
| Введение | Ок |
| Основные параметры малошумящего усилителя | Ок |
| Анализ известных схемотехнических решений МШУ | Ок |
| Разработка схемы малошумящего усилителя | Ок |
| Анализ полученных результатов | Ок |
Введение
- Беспроводные технологии быстро становятся общепринятым стандартом, который оказывает всестороннее влияние на нашу жизнь. К настоящему времени люди уже привыкли к
таким устройствам, как GPS-навигаторы, мобильные телефоны, беспроводные модемы и многие другие. Неотъемлемая часть любого устройства с беспроводной связью – приемник сигналов. Упрощенная блок-схема высокочастотного (ВЧ) приемника приведена на рисунке 1.
- Одним из блоков ВЧ-приемника является малошумящий усилитель (МШУ). Задачей МШУ является предварительное усиление сигнала, поступающего на антенну приемника, до
величины, необходимой для дальнейшей его обработки, с минимальным внесением в сигнал искажений и шумов. [1]
- В данной работе описан процесс разработки малошумящего усилителя на МОП-транзисторах, изготовленных по технологии SMIC 0.18 мкм.Разрабатываемое устройство является
частью GPS-приемника, который работает в диапазоне частот 1550-1610 МГц. В данной полосе частот коэффициент усиления по мощности МШУ больше 20 дБ, коэффициент шума меньше 1 дБ. Потребляемая мощность усилителя менее 4 мВт.
Основные параметры малошумящего усилителя
К основным параметрам МШУ относятся:
- коэффициент усиления
- коэффициент шума
- параметры, определяющие линейность преобразования:
- точка компрессии по входу МШУ
- точка интермодуляции третьего порядка
- ток потребления
- Коэффициент шума характеризует уровень искажений случайного характера, вносимых в сигнал при его прохождении через приемный тракт. Согласно формуле Фриза (1),
приведенной в работе [2], коэффициент шума всего приемного тракта определяется в первую очередь коэффициентом шума первого каскада, то есть малошумящего усилителя.
где – коэффициент шума приемного тракта, – коэффициент шума i-го каскада (i=1,2...), – коэффициент усиления по мощности i-го каскада. Из формулы (1) следуют два важных требования к МШУ — низкий коэффициент шума и высокий коэффициент усиления по мощности. В работе [3] выведена формула (2), из которой следует, что для повышения линейности преобразования сигнала необходимо уменьшать коэффициент усиления по мощности малошумящего усилителя.
где – точка интермодуляции по входу блока приемника, – коэффициент усиления по мощности i-го каскада. В формуле (2) и выражены в разах, а не в децибелах.
Физический смысл интермодуляционных составляющих третьего порядка виден на рисунке 2:
Таким образом, при разработке МШУ возникает ряд противоречий:
- Для увеличения коэффициента усиления необходимо увеличивать ток стока активного транзистора, что приводит к увеличению тока потребления устройства.
- Увеличение коэффициента усиления приводит к уменьшению точки компрессии по входу усилителя, а, следовательно, к ухудшению линейности преобразования сигнала.
- Для улучшения параметров линейности необходимо уменьшать коэффициент усиления, что приводит к увеличению коэффициента шума усилителя.
- В связи с этим не существует универсального схемотехнического решения малошумящего усилителя и для каждого приемника необходимо разрабатывать схему МШУ,
соответствующую требованиям технического задания. В общем случае, процесс разработки малошумящего усилителя выглядит следующим образом:
Разработка малошумящего усилителя
- Применение схемы с индуктивным истоковым ослаблением (элементы L1, L2, N2) позволяет достичь хорошего согласования входного импеданса усилителя с сопротивлением антенны
(коэффициент стоячей волны по напряжению или КСВН < 1.5) одновременно с низким коэффициентом шума (NF<2 дБ).[4] Использование каскода (элементы N2, N3) уменьшает влияние эффекта Миллера на схему, а также увеличивает выходное сопротивление усилителя, в связи с чем, увеличивает коэффициент усиления по мощности. LC-контур (элементы L3, C2) в схеме, приведенной на рисунке 2, позволяет получить высокий коэффициент усиления по мощности в заданном диапазоне частот. Для этого необходимо подобрать величины индуктивности и емкости так, чтобы резонансная частота контура совпадала с центральной частотой данного диапазона. Согласование выходного импеданса МШУ с сопротивлением нагрузки выполнено с использованием простейшей цепи согласования, называемой Г-цепью (элементы L4, C3).
Заключение
- В процессе выполнения работы, была разработана электрическая схема малошумящего усилителя на Si МОП-технологии SMIC 0.18 мкм. Сравнение параметров полученного
малошумящего усилителя и МШУ, представленного в работе NTLab Systems LNA for GPS applications приведено в таблице:
| Параметр \ Схема | В данной работе | В работе NTLab Systems LNA for GPS applications |
|---|---|---|
| Коэффициент усиления мощности | Gp=21 дБ | Gp=20 дБ |
| Коэффициент шума | NF<0.9 дБ | NF<1.5 дБ |
| Ток потребления | Isup=3.5 мА | Isup=7.2 мА |
| Входной импеданс | Rin=50 Ω | Rin=50 Ω |
| Выходной импеданс | Rout=50 Ω | Rout=50 Ω |
| Диапазон частот | 1550 MГц < f < 1610 MГц | 1550 MГц < f < 1610 MГц |
| КСВН по входу МШУ | VSWRin<1.2 | VSWRin<1.5 |
| КСВН по выходу МШУ | VSWRout<1.4 | VSWRout<1.5 |
| Точка компрессии по входу МШУ | CP1dB>-24 дБмВт | CP1dB>-28 дБмВт |
| Точка интермодуляции третьего порядка | IIP3>-14 дБмВт | IIP3>-18 дБмВт |
- ↑ p.166-170 Behzad Razavi, «RF Microelectronics», Prentice Hall, NJ, 1998
- ↑ p. 40-41 Matt Loy, «Understanding RF», Texas Instruments Incorporated, 1999
- ↑ p. 5-7 H.J.Yoo, «Basic Concepts in RF Design», Information and Communications University Press, 2000
- ↑ p.7 Edgar Sanchez-Sinencio, «Low Noise Amplifier», TAMU, 2010
